Linux驅動實踐：帶你一步一步編譯核心驅動程式

IOT物聯網小鎮發表於2021-11-17
Linux編譯

作 者：道哥，10+年嵌入式開發老兵，專注於：C/C++、嵌入式、Linux。

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別人的經驗，我們的階梯！

大家好，我是道哥。今天給大家分享一些筆記本里的一些存貨: Linux 系統中的驅動和中斷相關。

大概會用 6~7 篇的文章，由淺入深的為大家介紹Linux 中驅動程式的編寫方法。

文章的順序，也是我之前自己學習時的順序。

以前的學習記錄比較零散，現在只是把它們按照一定的順序重新梳理一下。

這幾篇文章，理論知識會少一些，更注重實際的操作。

我會把操作用引導的程式碼，全部上傳到網盤上，在文末有下載說明。

只要根據文中介紹的步驟進行操作，就一定可以操作成功。

學習的困惑

記得以前我在開始學習驅動開發的時候，找來很多文章、資料來學習，但是總是覺得缺少了點全域性視角。

就好像：我想看清一座山的全貌，但總是被困在一個、又一個山谷中一樣。

主要的困惑有 3 點：

  1. 每一篇文章的介紹都是正確的，但是如果把很多文章放在一起看，就會發現怎麼說的都不一樣啊？

  2. 有些文章注重函式的介紹，但是缺乏一個全域性的視角，從整體上來觀察驅動程式的結構;

  3. 對於一個新手來說，能夠邊學習、邊實踐，這是最好的學習方式，但是很多文章不會注意這方面。雖然文章內容很漂亮，但是不知道怎麼去實踐、驗證。

因此，這幾篇文章我們就從最簡單的驅動模組編譯開始，然後介紹字元裝置驅動程式。

在這部分，會以 GPIO 為例子，重點描述其中的關鍵節點。

最後再介紹在中斷處理程式中，如何利用訊號量、小任務、工作佇列，把核心事件傳遞到應用層來處理。

作為第一個開篇文章，從最簡單的核心編譯開始。

實際操作一下：如何把一個最簡單的驅動程式(hello)，按照 2 種方式進行編譯：

  1. 編譯進核心;

  2. 編譯為一個獨立的驅動模組;

實踐環境

為了便於測試，以下操作都是在 Ubuntu16.04 作業系統裡完成的。

編譯Linux驅動程式，肯定需要核心原始碼，這裡選擇的是 linux-4.15 版本，可以在官網下載。

文末有下載方式。

下載之後，把linux-4.15.tar.gz解壓到Ubuntu中任意目錄即可，例如：解壓到~/tmp/目錄下：

$ tar -zxvf linux-4.15.tar.gz -C ~/tmp/

編譯進核心

建立驅動程式目錄

linux 中的驅動，一般都放在 linux-4.15/drivers/ 目錄下，因此在這個目錄中建立一個hello資料夾。

$ mkdir linux-4.15/drivers/hello

對於一個驅動來說，最重要的就是3個檔案：

  1. 原始碼

  2. Kconfig

  3. Makefile

只要按照固定的格式來編寫這3個檔案，linux核心的編譯指令碼就可以確保把我們的驅動程式編譯進去。

建立原始檔

首先是原始碼，在hello資料夾中建立原始檔 hello.c：

$ cd linux-4.15/drivers/hello
$ touch hello.c

原始檔hello.c的內容是：

#include <linux module.h="">
#include <linux init.h="">

// 當驅動被載入的時候，執行此函式
static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_ALERT "welcome, hello"\n");
    return 0;
}

// 當驅動被解除安裝的時候，執行此函式
static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "bye, hello\n");
}

// 版權宣告
MODULE_LICENSE("GPL");

// 以下兩個函式屬於 Linux 的驅動框架，只要把驅動兩個函式地址註冊進去即可。
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

有兩個小地方注意一下：

  1. 在核心中，列印函式是 printk，而不是 printf;

  2. 列印資訊的級別有好幾個，從 DEBUG 到 EMERG，這裡使用的是 KERN_ALERT，方便檢視列印資訊。

建立 Kconfig 檔案

這個檔案是用來對核心進行配置的，當執行 make menuconfig 指令的時候，這個檔案就被解析。

先建立檔案：

$ cd linux-4.15/drivers/hello
$ touch Kconfig

新增如下內容：

config HELLO
tristate "hello driver"
help
  just a simplest driver.
default y

第一行內容 config HELLO ，在執行配置的時候，將會生成一個變數 CONFIG_HELLO ，而這個變數，將會在編譯的時候，被 Makefile 引用。

最後一行的 default y ，就表示把 CONFIG_HELLO 的值設定成 y，從而讓這個驅動被編譯到核心中。

現在，hello驅動中的KConfig配置檔案已經準備好了，但是還需要這個配置檔案登記到 Linux 核心的整體配置檔案中。

也就是把它登記在 linux-4.15/drivers/Kconfig 檔案的末尾：

source "drivers/hello/Kconfig"

endmenu   // 加在這一句的上面

現在，可以來執行下面指令，看一下具體的配置介面：

$ cd linux-4.15/
$ make distclean
$ make ARCH=x86_64 defconfig
$ make ARCH=x86_64 menuconfig

第2條指令，是用來把預設的配置儲存到當前目錄下的 .config 配置檔案，也就是把一個預設的配置檔案複製過來，作為我們自己的配置檔案。

以後再修改配置引數時，修改的內容就會儲存在 .config 檔案中，

第3條指令，是用來配置核心的，可以進入 Device Drivers 選單，然後在最底層看到我們的 hello driver 被標記成星號，
這表示被編譯進核心。

按向下方向鍵，把高亮定位到 Device Drivers ---> ，然後敲Enter鍵，進入到 Device Drivers 的配置介面。

按向下方向鍵，一直到最後一個條目，就可以看到我們的 hello 驅動了，如下：

可以看到 hello driver 前面顯示的是型號 *，這表示：該驅動將會編譯進核心。

我們可以按下空格鍵試一下，會在三種標記中切換：型號，M，空值。M 標記意思是編譯成驅動模組。

我們這裡選擇星號(編譯進核心)，然後按下右方向鍵，最下方的幾個按鍵的焦點移動到 按鈕上：

按下Enter鍵，就會彈出儲存對話方塊，選擇預設儲存檔案 .config 即可，然後在 按鈕高亮的時候，按下Enter鍵即可儲存。

此時，在彈出的確認視窗中，選擇 <exit>，按下Enter鍵即可：

此時，返回到 Device Drivers 的配置介面，在最下面的按鈕中，選擇讓<exit>高亮，然後一路退出即可。

建立 Makefile 檔案

Makefile 檔案是make工具的指令碼，首先建立它：

$ cd linux-4.15/drivers/hello
$ touch Makefile

其中的內容只有一行：

obj-$(CONFIG_HELLO) += hello.o

  1. CONFIG_HELLO 可以看做一個變數，在編譯的時候，這個變數的值可能是：y, n 或者 m。

  2. 在剛才的 Kconfig 引數配置中，CONFIG_HELLO 被設定為 y，於是這句話就被翻譯成： obj-y += hello，表示把 hello 驅動編譯進核心。

現在，hello驅動程式的Makefile已經建立好了，我們還要讓linux核心的編譯框架知道這個檔案才行。

在檔案 linux-4.15/drivers/Makefile 中的末尾，新增如下內容：

obj-$(CONFIG_HELLO)    += hello/

編譯

萬事俱備，只欠編譯！依次執行如下指令：

$ cd linux-4.15/
$ make -j4

make指令執行結束之後，編譯得到的核心中(vmlinux)就包含了我們的hello驅動。

編譯為驅動模組

編譯為驅動模組，也有兩種 操作方式：

編譯所有的驅動模組

  1. 在執行 make ARCH=x86_64 menuconfig 指令的時候，把 hello 配置成 M;

  2. 然後在 linux-4.15 中執行編譯模組指令：make -j4 modules。

編譯成功之後，就可以得到檔案： linux-4.15/drivers/hello/hello.ko。

這樣的編譯指令，是把所有的模組都編譯了一次(在輸出資訊中，可以看到編譯了很多模組)。

只編譯 hello 這一個驅動模組

另外一種編譯驅動模組的方式是：進入hello目錄，只編譯這一個驅動模組。

這種編譯方法，就需要修改hello目錄下的Makefile檔案了，內容如下：

可以把 hello 目錄下的所有檔案刪除，只保留原始檔 hello.c，然後新建 Makefile 檔案。

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
        obj-m := hello.o
else
        KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
        PWD := $(shell pwd)
default:
        $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
        $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
endif

然後，在hello資料夾中執行make指令，即可得到驅動模組 hello.ko 。

驗證一下

載入驅動：

$ cd linux-4.15/drivers/hello
$ sudo insmod ./hello.ko

此時終端視窗是沒有任何輸出的，需要輸入指令 dmesg | tail ，可以看到 hello_init 函式的輸出內容：

解除安裝驅動：

$ sudo rmmod hello

再次輸入 dmesg | tail ，可以看到 hello_exit 函式的輸出內容：

資料下載

在公眾號【IOT物聯網小鎮】的後臺回覆關鍵字：1112，獲取下列檔案的網盤地址：

linux-4.15.tar.gz

hello資料夾壓縮包


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