Linux驱动实践：带你一步一步编译内核驱动程序

2021-11-15 11:28:19 浏览数 (1)

作 者：道哥，10 年嵌入式开发老兵，专注于：C/C 、嵌入式、Linux。

目录

  • 学习的困惑
  • 实践环境
  • 编译进内核
  • 编译为驱动模块
  • 资料下载

别人的经验，我们的阶梯！

大家好，我是道哥。今天给大家分享一些笔记本里的一些存货: Linux 系统中的驱动和中断相关。

大概会用 6~7 篇的文章，由浅入深的为大家介绍Linux 中驱动程序的编写方法。

文章的顺序，也是我之前自己学习时的顺序。

以前的学习记录比较零散，现在只是把它们按照一定的顺序重新梳理一下。

这几篇文章，理论知识会少一些，更注重实际的操作。

我会把操作用引导的代码，全部上传到网盘上，在文末有下载说明。

只要根据文中介绍的步骤进行操作，就一定可以操作成功。

学习的困惑

记得以前我在开始学习驱动开发的时候，找来很多文章、资料来学习，但是总是觉得缺少了点全局视角。

就好像：我想看清一座山的全貌，但总是被困在一个、又一个山谷中一样。

主要的困惑有 3 点：

  1. 每一篇文章的介绍都是正确的，但是如果把很多文章放在一起看，就会发现怎么说的都不一样啊？
  2. 有些文章注重函数的介绍，但是缺乏一个全局的视角，从整体上来观察驱动程序的结构;
  3. 对于一个新手来说，能够边学习、边实践，这是最好的学习方式，但是很多文章不会注意这方面。虽然文章内容很漂亮，但是不知道怎么去实践、验证。

因此，这几篇文章我们就从最简单的驱动模块编译开始，然后介绍字符设备驱动程序。

在这部分，会以 GPIO 为例子，重点描述其中的关键节点。

最后再介绍在中断处理程序中，如何利用信号量、小任务、工作队列，把内核事件传递到应用层来处理。

作为第一个开篇文章，从最简单的内核编译开始。

实际操作一下：如何把一个最简单的驱动程序(hello)，按照 2 种方式进行编译：

  1. 编译进内核;
  2. 编译为一个独立的驱动模块;

实践环境

为了便于测试，以下操作都是在 Ubuntu16.04 操作系统里完成的。

编译Linux驱动程序，肯定需要内核源码，这里选择的是 linux-4.15 版本，可以在官网下载。

文末有下载方式。

下载之后，把linux-4.15.tar.gz解压到Ubuntu中任意目录即可，例如：解压到~/tmp/目录下：

代码语言：javascript复制
$ tar -zxvf linux-4.15.tar.gz -C ~/tmp/

编译进内核

创建驱动程序目录

linux 中的驱动，一般都放在 linux-4.15/drivers/ 目录下，因此在这个目录中创建一个hello文件夹。

代码语言：javascript复制
$ mkdir linux-4.15/drivers/hello

对于一个驱动来说，最重要的就是3个文件：

  1. 源代码
  2. Kconfig
  3. Makefile

只要按照固定的格式来编写这3个文件，linux内核的编译脚本就可以确保把我们的驱动程序编译进去。

创建源文件

首先是源码，在hello文件夹中创建源文件 hello.c：

代码语言：javascript复制
$ cd linux-4.15/drivers/hello
$ touch hello.c

源文件hello.c的内容是：

代码语言：javascript复制
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

// 当驱动被加载的时候，执行此函数
static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_ALERT "welcome, hello"n");
    return 0;
}

// 当驱动被卸载的时候，执行此函数
static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "bye, hellon");
}

// 版权声明
MODULE_LICENSE("GPL");

// 以下两个函数属于 Linux 的驱动框架，只要把驱动两个函数地址注册进去即可。
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

有两个小地方注意一下：

  1. 在内核中，打印函数是 printk，而不是 printf;
  2. 打印信息的级别有好几个，从 DEBUG 到 EMERG，这里使用的是 KERN_ALERT，方便查看打印信息。
创建 Kconfig 文件

这个文件是用来对内核进行配置的，当执行 make menuconfig 指令的时候，这个文件就被解析。

先创建文件：

代码语言：javascript复制
$ cd linux-4.15/drivers/hello
$ touch Kconfig

添加如下内容：

代码语言：javascript复制
config HELLO
tristate "hello driver"
help
  just a simplest driver.
default y

第一行内容 config HELLO ，在执行配置的时候，将会生成一个变量 CONFIG_HELLO ，而这个变量，将会在编译的时候，被 Makefile 引用。

最后一行的 default y ，就表示把 CONFIG_HELLO 的值设置成 y，从而让这个驱动被编译到内核中。

现在，hello驱动中的KConfig配置文件已经准备好了，但是还需要这个配置文件登记到 Linux 内核的整体配置文件中。

也就是把它登记在 linux-4.15/drivers/Kconfig 文件的末尾：

代码语言：javascript复制
source "drivers/hello/Kconfig"

endmenu   // 加在这一句的上面

现在，可以来执行下面指令，看一下具体的配置界面：

代码语言：javascript复制
$ cd linux-4.15/
$ make distclean
$ make ARCH=x86_64 defconfig
$ make ARCH=x86_64 menuconfig

第2条指令，是用来把默认的配置保存到当前目录下的 .config 配置文件，也就是把一个默认的配置文件复制过来，作为我们自己的配置文件。

以后再修改配置参数时，修改的内容就会存储在 .config 文件中，

第3条指令，是用来配置内核的，可以进入 Device Drivers 菜单，然后在最底层看到我们的 hello driver 被标记成星号， 这表示被编译进内核。

按向下方向键，把高亮定位到 Device Drivers ---> ，然后敲回车键，进入到 Device Drivers 的配置界面。

按向下方向键，一直到最后一个条目，就可以看到我们的 hello 驱动了，如下：

可以看到 hello driver 前面显示的是型号 *，这表示：该驱动将会编译进内核。

我们可以按下空格键试一下，会在三种标记中切换：型号，M，空值。M 标记意思是编译成驱动模块。

我们这里选择星号(编译进内核)，然后按下右方向键，最下方的几个按键的焦点移动到按钮上：

按下回车键，就会弹出保存对话框，选择默认保存文件 .config 即可，然后在<Ok>按钮高亮的时候，按下回车键即可保存。

此时，在弹出的确认窗口中，选择 <Exit>，按下回车键即可：

此时，返回到 Device Drivers 的配置界面，在最下面的按钮中，选择让 <Exit> 高亮，然后一路退出即可。

创建 Makefile 文件

Makefile 文件是make工具的脚本，首先创建它：

代码语言：javascript复制
$ cd linux-4.15/drivers/hello
$ touch Makefile

其中的内容只有一行：

代码语言：javascript复制
obj-$(CONFIG_HELLO)  = hello.o
  1. CONFIG_HELLO 可以看做一个变量，在编译的时候，这个变量的值可能是：y, n 或者 m。
  2. 在刚才的 Kconfig 参数配置中，CONFIG_HELLO 被设置为 y，于是这句话就被翻译成：obj-y = hello，表示把 hello 驱动编译进内核。

现在，hello驱动程序的Makefile已经创建好了，我们还要让linux内核的编译框架知道这个文件才行。

在文件 linux-4.15/drivers/Makefile 中的末尾，添加如下内容：

代码语言：javascript复制
obj-$(CONFIG_HELLO)     = hello/
编译

万事俱备，只欠编译！依次执行如下指令：

代码语言：javascript复制
$ cd linux-4.15/
$ make -j4

make指令执行结束之后，编译得到的内核中(vmlinux)就包含了我们的hello驱动。

编译为驱动模块

编译为驱动模块，也有两种 操作方式：

编译所有的驱动模块
  1. 在执行 make ARCH=x86_64 menuconfig 指令的时候，把 hello 配置成 M;
  2. 然后在 linux-4.15 中执行编译模块指令：make -j4 modules。

编译成功之后，就可以得到文件： linux-4.15/drivers/hello/hello.ko。

这样的编译指令，是把所有的模块都编译了一次(在输出信息中，可以看到编译了很多模块)。

只编译 hello 这一个驱动模块

另外一种编译驱动模块的方式是：进入hello目录，只编译这一个驱动模块。

这种编译方法，就需要修改hello目录下的Makefile文件了，内容如下：

可以把 hello 目录下的所有文件删除，只保留源文件 hello.c，然后新建 Makefile 文件。

代码语言：javascript复制
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

然后，在hello文件夹中执行make指令，即可得到驱动模块 hello.ko 。

验证一下

加载驱动：

代码语言：javascript复制
$ cd linux-4.15/drivers/hello
$ sudo insmod ./hello.ko

此时终端窗口是没有任何输出的，需要输入指令 dmesg | tail ，可以看到 hello_init 函数的输出内容：

卸载驱动：

代码语言：javascript复制
$ sudo rmmod hello

再次输入 dmesg | tail ，可以看到 hello_exit 函数的输出内容：

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