韦东山Linux驱动入门实验班(1)hello驱动
前言
(1)学习韦东山老师的Linux,因为他讲的很精简,以至于很多人听不懂。接下来我讲介绍韦东山老师的驱动实验班的第一个Hello程序。
(2)注意,请先学习完视频再来看这个教程!本文仅供入门学习!如需深入,请搜索其他博客!
(3)
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代码
先上代码,代码增加了注释。如果仅看注释就能够理解的话,就没必要再花时间往下看了。具体代码在我仓库里面。
驱动代码
应用层代码
前置知识
(1)因为本人也是刚学不久,所以可能会有讲的有所偏差的地方。请及时指正,谢谢了。
(2)首先我们通常都是在Linux的终端上打开一个可执行文件,然后可执行文件就会执行程序。那么这个可执行文件做了什么呢?
(3)可执行文件先是在应用层读取程序,其中会有很多库函数,库函数是属于内核之中。而内核又会往下调用驱动层程序。最终驱动层控制具体硬件。
<1>其实应用程序到库是比较容易理解的,比如我们刚学习C语言的时候,使用了printf,scanf等等这些函数。而这些函数就在库中。
<2>库可以和系统内核相连接,具体怎么实现的我也不太清楚。
<3>我们写了一个驱动程序,就需要告诉内核,这个过程叫做注册。我们注册了驱动之后,内核里面就会有这个驱动程序的信息,然后上层应用就可以调用。
(4)听起来是不是很懵,我也很懵。不过不要怕,我们只需要知道,咱们需要编写两个程序,一个是驱动层的,一个是应用层的,最后驱动层需要注册进入内核,应用层才能够使用。其他的先不要管。
(5)我们在应用层调用read函数,对应驱动层的read函数。write函数和write函数对应。open函数和open函数对应。close函数和release函数对应(这个为什么不一样我也不清楚)。
(6)我们对Linux 应用程序对驱动程序的调用流程有一个简单了解之后,我得知道整个程序编写流程应该怎么做。至于流程为什么是这样的,我们记住即可。因为这些都是人规定的,如果之后学的深了再进行深究也不迟,现在我们主要是入门。
驱动代码讲解
流程介绍
(1)下面我将介绍一个驱动程序编写的流程,如果看完上面的,大家还是一脸懵。没关系,我们根据代码逐个讲解,大家应该就会有一个简单的认识了。
(2)流程:(注意,你看到有些人讲的流程看似可能跟我不一样,你得仔细对比,就会发现其实都是一样的,讲法不同而已)
<1>我们首先需要编写一个file_operations类型的结构体,这个结构体用于管理驱动程序。之后我们将驱动程序注册进入内核之后,我们在应用层调用这个驱动,那么就可以直接通过这个结构体来操作驱动中的open,write,read等函数。
<2>实现对应的 drv_open/drv_read/drv_write 等函数,填入 file_operations 结构体。这样我们在应用层调用open,write,read等函数,就是调用这个驱动了。
这个时候有人可能会问了,有这么多个驱动,我怎么知道open对应的是哪一个驱动?很简单,咱们在写应用层程序的时候,是不是第一个参数是需要传入一个设备号。系统根据这个设备号来判断是调用的哪一个驱动。
<3>把 file_operations 结构体告诉内核: register_chrdev。我们写了一个驱动,但是内核是不知道的。那么怎么办呢?我们就去注册他,内核就明白,有了这个驱动,然后给他分配一个设备号。之后应用层就可以根据这个设备号来调用驱动层了。
<4> 这个时候,有人就有疑问了,谁来注册这个结构体?于是我们需要一个入口函数来进行注册,安装驱动程序时,就会去调用这个入口函数。
<5>有入口函数就应该有出口函数:卸载驱动程序时,出口函数调用unregister_chrdev。
<6>最后需要加入GPL协议。因为Linux是遵顼GPL协议的,所以你如果需要使用Linux其他的驱动层函数,就必须遵顼GPL协议,强制要求开源代码。根据这个协议,你可以要求所有使用Linux的厂商提供驱动层源代码,同时别人也可以要求你公开你的驱动层代码,这个是相互的。不过很多厂商为了规避这个协议,驱动源代码很简单,复杂的东西放在应用层。至于还有一个作者名字的添加,随便写不写。
代码逐个分析
(1)第一步,咱们要创建一个file_operations结构体。这个结构体static const struct file_operations 部分是必须这么写的,规定的。最后这个结构体的名字可以不是hello_drv,随便定,不过后面register_chrdev要利用这个结构体名来注册。
(2)
<1>创建出来这个file_operations结构体之后,咱们就需要根据需求在这个结构体里面写入参数。对于一个文件,open,write,read,release肯定都是需要的。那么就在这几个参数中写入数据,这个数据是函数指针。(对于新手朋友可能不知道结构体".成员"是什么意思,请看 的赋值部分)至于.owner = THIS_MODULE,这个是规定要存在的,具体为什么我也不是很清楚。
<2>在写驱动程序的时候,我们需要注意,打印函数是printk,而不是printf。为什么呢?因为内核没有办法使用 C 语言库。
<3>需要注意,咱们这个内核打印信息需要输入:echo "7 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk,打开内核打印。虽然绝大多数内核打印是默认打开的,还是需要注意。
如果不想看内核打印信息,就输入:echo "7 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk。(听不懂没关系,后面演示的时候会解释到)
(3)
<1>这个时候,咱们就需要将file_operations 结构体告诉内核。调用register_chrdev()函数就可以让内核知道file_operations 结构体。
<2>如果是看韦东山老师的视频的话,都知道,其实按照他的第一步,是需要确定主设备号的。不过,咱们在register_chrdev()的第一个参数输入0,那么系统将会帮我们自动确定主设备号,并且返回这个主设备号。
<3>register_chrdev()的第二个参数,我们随便起什么名字。我就跟着韦东山老师的一样算了,懒得改了。
<4>register_chrdev()的第三个参数,这个就跟咱们之前定义的file_operations 结构体有关了。因为我们上面定义的是static const struct file_operations hello_drv;结构体名为hello_drv,所以第三个参数输入hello_drv。
<5>这个返回的主设备号,我们需要接收,因为之后卸载程序的时候需要使用到。但是如果你不打算卸载,不接收这个主设备号也可以。
(4)
<1>将file_operations 结构体告诉内核以后,我们还需要注册驱动程序,就需要一个入口函数,这个入口函数需要module_init(xxx)这个宏来告诉内核,确认入口函数。xxx就是我们入口函数名。
<2>那么问题来了,我们什么时候才知道,注册了驱动程序呢?很简单,当我们在Linux终端输入insmod hello_drv.ko程序的时候,那么系统就会调用hello_init()函数。
(5)咱们有了入口程序,必然也有一个出口程序。这个时候就需要module_exit(XXX)来确认出口函数了。
(6)最后,添加GPL协议和作者名。GPL协议是强制要求必须添加的,作者名随便。
命令行操作讲解
命令行操作流程
(1)命令行输入流程:
<1>根据上面驱动代码讲解,我们知道了,将驱动代码编写出来以后,内核是不知道的,还需要注册。而注册方法有两种,第一种就是将驱动编译进 Linux 内核中,这样当 Linux 内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成模块(Linux下模块扩展名为.ko),在Linux内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块,这样我们修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可,不需要编译整个 Linux 代码。而且在调试的时候只需要加载或者卸载驱动模块即可,不需要重启整个系统。总之,将驱动编译为模块最大的好处就是方便开发,当驱动开发完成,确定没有问题以后就可以将驱动编译进Linux 内核中。
<2>我们需要确认是否注册成功,所以需要输入cat /proc/devices:查看当前已经被使用掉的设备号。lsmod,查看内核中已经加载的驱动程序。<3>创建设备节点。驱动加载成功需要在/dev 目录下创建一个与之对应的设备节点文件,应用程序就是通过操作这个设备节点文件来完成对具体设备的操作。
<4>设备节点创建之后,我们就可以按照:应用程序 /dev/xxx(xxx是设备节点,名字任意)格式来从应用层调用驱动层了。
<5>用完之后,咱们可能想要卸载了,就可以输入:rmmod 驱动程序 来卸载。
(2)现在我们知道应用程序如何通过设备节点调用驱动程序了。那么现在我们讲一下需求。我们想,如果在命令行输入三个参数,那么表示写入数据。如果输入两个参数,就表示读取数据。
Makefile代码
应用层代码讲解
(1)咱们知道了知道了需求之后就要进行操作了。不过为了防止有部分人基础过差,还是解释一下main函数的argc和argv是什么。
(2)我们在命令行输入./hello_test /dev/xxx 100ask的时候,会将这三个存入到一个argv的二级指针里面。这个argv[0]存放./hello_test,argv[1]存放/dev/xxx,argv[2]存放100ask。而argc存放传入的参数有几个,比如现在就是传入三个参数了。但是有人会问了,我怎么知道是三个参数呢?这个很简单,用空格区分参数。
(3)
<1>如果传入参数少于2个,那么我们就会打印出这个应用程序的使用方法。同时结束程序。
<2>使用open打开这个设备节点,之后会返回一个文件描述符,我们之后就可以根据这个文件描述符来操作这个设备节点。同时,内核会调用驱动层的hello_open()函数,因为应用层使用了open函数。
<3>如果没有打开这个文件,open函数将会返回-1,我们判断fd是否为-1,如果是-1那么结束程序,提醒没有打开设备节点。
<4>现在我们需要判断传入的是三个参数。如果是三个参数,那么就表示写数据,内核调用hello_write()函数,因为应用层使用了write函数。否则表示读数据,内核调用hello_read()函数,因为应用层调用了read函数。
<5>最后调用close函数,关闭文件。对应内核调用hello_release函数。
效果演示
为了让大家更深刻的理解驱动层和应用层,我在此分为两种演示方法,一种是打开内核打印的效果演示,一种是关闭内核打印的效果演示。
关闭内核打印效果演示
(1)make编译程序,注意,这个需要在Ubuntu中编译程序!
(2)
<1>在开发板中,共享与Ubuntu共享文件:mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt。
<2>之后我们关闭内核打印:echo 0 4 0 7 > /proc/sys/kernel/printk
(3)
<1>确认存在 hello_drv.ko文件
<2>insmod hello_drv.ko装载驱动
<3>lsmod 确认驱动已经安装
(4)我们知道驱动已经安装好了,那么我们需要知道这个驱动的设备号,输入:cat /proc/devices:查看当前已经被使用掉的设备号。驱动名字与我们在驱动层使用register_chrdev()函数的第二个参数有关。
(5) 创建设备节点: mknod /dev/xyz c 240 0
<1>“/dev/xyz”是要创建的节点文件,xyz可以为任意名字
<2>“c”表示这是个字符设备
<3>“ 240”是设备的主设备号,这个数值是根据cat /proc/devices查看驱动的时候,看到240 100ask_hello,所以100ask_hello这个驱动的设备号是240。
<4>“ 0”是设备的次设备号,默认写0即可。
(6)命令行调用
(7)
<1>最后删除驱动程序:rmmod 驱动程序 (我们的驱动程序叫做hello_drv)
<2>删除设备节点:rm /dev/xyz
打开内核打印效果演示
(1)打开内核打印:echo "7 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk
(2)
<1>因为名为打开了内核打印,所以会出现很多奇怪的东西,不用管。按shift+C即可。
<2>我们输入insmod hello_drv.ko装载程序,就是调用了驱动层的入口函数,所以这里内核会打印“insmod success!”
(3)
<1>确认存在 hello_drv.ko文件
<2>insmod hello_drv.ko装载驱动
<3>lsmod 确认驱动已经安装
(4)创建设备节点: mknod /dev/xyz c 240 0
(5)
<1>我们只输入两个参数,发现他内核成功打印了数据,从中我们可以知道调用了hello_open,hello_read,hello_release函数。
<2>我们输入三个参数,从内核打印得知, 我们调用了hello_open,hello_read,hello_release函数。与应用层相对应。
(6)
<1>删除驱动程序,最后我们发现成功打印了内核信息。
<2>删除设备节点:rm /dev/xyz
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