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摘要：搞嵌入式有兩個方向，一個是嵌入式軟件開發(fā)(MCU方向)，另一個是嵌入式軟件開發(fā)(Linux方向)。其中MCU方向基本是裸機開發(fā)和RTOS開發(fā)。而Linux開發(fā)方向又分為驅動開發(fā)和應用開發(fā)。其中應用開發(fā)相比于驅動開發(fā)來說簡單一些，因為搞驅動你要和Linux內核打交道。而我們普通的單片機開發(fā)就是應用開發(fā)，和Linux開發(fā)沒多大區(qū)別，單片機你去調別人寫好的庫，Linux應用你也是調別人的驅動程序。
很多人學習的路線是：單片機到RTOS，再到Linux，這個路線其實是非常好，循序漸進。因為你學了單片機，所以你對RTOS的學習會很容易理解，單片機+RTOS在市面上也可以找到一個很好的工作。因為你學了RTOS，你會發(fā)現(xiàn)Linux驅動開發(fā)其實和RT-Thread的驅動程序非常像，其實RT-Thread驅動大概率可能是仿Linux驅動而寫的。所以如果你現(xiàn)在在學RT-Thread，那么你后面去搞Linux驅動也是非常容易上手。
當然做驅動去之前你還是要學習一下ubuntu操作系統(tǒng)、ARM裸機和linux系統(tǒng)移植，其目的就是為學習嵌入式linux驅動開發(fā)做準備。
話不多說先來一個hello驅動程序。
在Linux中，驅動分為三大類：
字符設備驅動
字符設備驅動是占用篇幅最大的一類驅動，因為字符設備最多，從最簡單的點燈到 I2C、SPI、音頻等都屬于字符設備驅動的類型。
塊設備驅動
塊設備和網絡設備驅動要比字符設備驅動復雜，就是因為其復雜所以半導體廠商一般都給我們編寫好了，大多數(shù)情況下都是直接可以使用的。
所謂的塊設備驅動就是存儲器設備的驅動，比如 EMMC、NAND、SD 卡和 U 盤等存儲設備，因為這些存儲設備的特點是以存儲塊為基礎，因此叫做塊設備。
網絡設備驅動
網絡設備驅動很好理解，不管是有線的還是無線的，都屬于網絡設備驅動的范疇。一個設備可以屬于多種設備驅動類型，比如 USB WIFI，其使用 USB 接口，所以屬于字符設備，但是其又能上網，所以也屬于網絡設備驅動。
我使用的Linux內核版本為 4.1.15，其支持設備樹Device tree。開發(fā)板是正點原子送的Linux-MINI板，你用其他家的板子也是一樣的，沒有任何影響。
一、字符設備驅動簡介
字符設備是Linux驅動中最基本的一類設備驅動，字符設備就是一個一個字節(jié)，按照字節(jié)流進行讀寫操作的設備，讀寫數(shù)據(jù)是分先后順序的。比如我們最常見的點燈、按鍵、IIC、SPI，LCD 等等都是字符設備，這些設備的驅動就叫做字符設備驅動。
那么在Linux下的應用程序是如何調用驅動程序的呢？Linux 應用程序對驅動程序的調用如圖所示：
Linux應用程序對驅動程序的調用流程
在Linux 中一切皆為文件，驅動加載成功以后會在/dev目錄下生成一個相應的文件，應用程序通過對這個名為/dev/xxx(xxx是具體的驅動文件名字)的文件進行相應的操作即可實現(xiàn)對硬件的操作。
寫驅動的人必須要懂linux內核，因為驅動程序就是根據(jù)內核的函數(shù)去寫的，寫應用的人不需要懂linux內核，只需要熟悉驅動函數(shù)就可以了。
比如現(xiàn)在有個叫做/dev/led的驅動文件，是led燈的驅動文件。應用程序使用open函數(shù)來打開文件/dev/led，使用完成以后使用close函數(shù)關閉/dev/led 這個文件。open和 close 就是打開和關閉led驅動的函數(shù)，如果要點亮或關閉led，那么就使用write 函數(shù)來操作，也就是向此驅動寫入數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)就是要關閉還是要打開led的控制參數(shù)。如果要獲取led 燈的狀態(tài)，就用 read 函數(shù)從驅動中讀取相應的狀態(tài)。
應用程序運行在用戶空間，而Linux 驅動屬于內核的一部分，因此驅動運行于內核空間。當我們在用戶空間想要實現(xiàn)對內核的操作，比如使用open函數(shù)打開/dev/led這個驅動，因為用戶空間不能直接對內核進行操作，因此必須使用一個叫做“系統(tǒng)調用”的方法來實現(xiàn)從用戶空間“陷入”到內核空間，這樣才能實現(xiàn)對底層驅動的操作。
open、close、write 和read等這些函數(shù)是由C庫提供的，在Linux系統(tǒng)中，系統(tǒng)調用作為C庫的一部分。當我們調用 open 函數(shù)的時候流程如圖所示：
open函數(shù)調用流程
其中關于C庫以及如何通過系統(tǒng)調用“陷入”到內核空間這個我們不用去管，我們關注的是應用程序和具體的驅動，應用程序使用到的函數(shù)在具體驅動程序中都有與之對應的函數(shù)，比如應用程序中調用了open這個函數(shù)，那么在驅動程序中也得有一個名為open的函數(shù)。每一個系統(tǒng)調用，在驅動中都有與之對應的一個驅動函數(shù)。
在Linux內核文件include/linux/fs.h中有個叫做file_operations的結構體，此結構體就是Linux內核驅動操作函數(shù)集合，我們可以將linux內核文件下載下來，然后用source insight打開看看。內容如下所示：
點擊此處下載linux內核源碼
Linux內核
struct?file_operations?{
?struct?module?*owner;
?loff_t?(*llseek)?(struct?file?*,?loff_t,?int);
?ssize_t?(*read)?(struct?file?*,?char?__user?*,?size_t,?loff_t?*);
?ssize_t?(*write)?(struct?file?*,?const?char?__user?*,?size_t,?loff_t?*);
?ssize_t?(*read_iter)?(struct?kiocb?*,?struct?iov_iter?*);
?ssize_t?(*write_iter)?(struct?kiocb?*,?struct?iov_iter?*);
?int?(*iterate)?(struct?file?*,?struct?dir_context?*);
?unsigned?int?(*poll)?(struct?file?*,?struct?poll_table_struct?*);
?long?(*unlocked_ioctl)?(struct?file?*,?unsigned?int,?unsigned?long);
?long?(*compat_ioctl)?(struct?file?*,?unsigned?int,?unsigned?long);
?int?(*mmap)?(struct?file?*,?struct?vm_area_struct?*);
?int?(*mremap)(struct?file?*,?struct?vm_area_struct?*);
?int?(*open)?(struct?inode?*,?struct?file?*);
?int?(*flush)?(struct?file?*,?fl_owner_t?id);
?int?(*release)?(struct?inode?*,?struct?file?*);
?int?(*fsync)?(struct?file?*,?loff_t,?loff_t,?int?datasync);
?int?(*aio_fsync)?(struct?kiocb?*,?int?datasync);
?int?(*fasync)?(int,?struct?file?*,?int);
?int?(*lock)?(struct?file?*,?int,?struct?file_lock?*);
?ssize_t?(*sendpage)?(struct?file?*,?struct?page?*,?int,?size_t,?loff_t?*,?int);
?unsigned?long?(*get_unmapped_area)(struct?file?*,?unsigned?long,?unsigned?long,?unsigned?long,?unsigned?long);
?int?(*check_flags)(int);
?int?(*flock)?(struct?file?*,?int,?struct?file_lock?*);
?ssize_t?(*splice_write)(struct?pipe_inode_info?*,?struct?file?*,?loff_t?*,?size_t,?unsigned?int);
?ssize_t?(*splice_read)(struct?file?*,?loff_t?*,?struct?pipe_inode_info?*,?size_t,?unsigned?int);
?int?(*setlease)(struct?file?*,?long,?struct?file_lock?**,?void?**);
?long?(*fallocate)(struct?file?*file,?int?mode,?loff_t?offset,
?????loff_t?len);
?void?(*show_fdinfo)(struct?seq_file?*m,?struct?file?*f);
#ifndef?CONFIG_MMU
?unsigned?(*mmap_capabilities)(struct?file?*);
#endif
};
?
第 1589 行，owner 擁有該結構體的模塊的指針，一般設置為THIS_MODULE。
第 1590 行，llseek函數(shù)用于修改文件當前的讀寫位置。
第 1591 行，read函數(shù)用于讀取設備文件。
第 1592 行，write函數(shù)用于向設備文件寫入(發(fā)送)數(shù)據(jù)。
第 1596 行，poll是個輪詢函數(shù)，用于查詢設備是否可以進行非阻塞的讀寫。
第 1597 行，unlocked_ioctl函數(shù)提供對于設備的控制功能，與應用程序中的ioctl函數(shù)對應。
第 1598 行，compat_ioctl函數(shù)與unlocked_ioctl函數(shù)功能一樣，區(qū)別在于在64位系統(tǒng)上，32位的應用程序調用將會使用此函數(shù)。在32位的系統(tǒng)上運行32位的應用程序調用的是unlocked_ioctl。
第 1599 行，mmap函數(shù)用于將將設備的內存映射到進程空間中(也就是用戶空間)，一般幀緩沖設備會使用此函數(shù)，比如LCD驅動的顯存，將幀緩沖(LCD 顯存)映射到用戶空間中以后應用程序就可以直接操作顯存了，這樣就不用在用戶空間和內核空間之間來回復制。
第 1601 行，open 函數(shù)用于打開設備文件。
第 1603 行，release 函數(shù)用于釋放(關閉)設備文件，與應用程序中的 close 函數(shù)對應。
第 1604 行，fasync 函數(shù)用于刷新待處理的數(shù)據(jù)，用于將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)刷新到磁盤中。
第 1605 行，aio_fsync函數(shù)與 fasync 函數(shù)的功能類似，只是aio_fsync是異步刷新待處理的數(shù)據(jù)。
二、字符設備驅動開發(fā)
學習裸機或者STM32的時候關于驅動的開發(fā)就是初始化相應的外設寄存器，在Linux驅動開發(fā)中肯定也是要初始化相應的外設寄存器，這個是毫無疑問的。只是在Linux驅動開發(fā)中我們需要按照其規(guī)定的框架來編寫驅動，所以說學Linux驅動開發(fā)重點是學習其驅動框架。
2.1 APP打開的文件在內核中如何表示
APP使用open函數(shù)打開文件時，可以得到一個整數(shù)，這個整數(shù)被稱為文件句柄。對于APP的每一個文件句柄，在內核里面都有一個struct file與之對應。
struct file
我們使用open打開文件時，傳入的 flags、mode等參數(shù)會被記錄在內核中對應的struct file結構體里(f_flags、f_mode)：
?
int?open(const?char?*pathname,?int?flags,?mode_t?mode);
?
去讀寫文件時，文件的當前偏移地址也會保存在struct file結構體的f_pos成員里。
open->struct file
打開字符設備節(jié)點時，內核中也有對應的struct file注意這個結構體中的結構體：struct file_operations *f_op，這是由驅動程序提供的。
驅動程序的 struct file
驅動程序的 open/read/write
結構體struct file_operations的定義如下，上面也講過了。
2.2 編寫驅動程序的步驟
1、確定主設備號，也可以讓內核分配。
2、定義自己的file_operations結構體。
3、實現(xiàn)對應的drv_open/drv_read/drv_write等函數(shù)，填入file_operations結構體。
4、把file_operations結構體告訴內核：register_chrdev。
5、誰來注冊驅動程序啊？得有一個入口函數(shù)：安裝驅動程序時，就會去調用這個入口函數(shù)。
6、有入口函數(shù)就應該有出口函數(shù)：卸載驅動程序時，出口函數(shù)調用unregister_chrdev。
7、其他完善：提供設備信息，自動創(chuàng)建設備節(jié)點：class_create，device_create。
2.3 試驗程序編寫
應用程序調用open函數(shù)打開hello_drv這個設備，打開以后可以使用write 函數(shù)向hello_drv的寫緩沖區(qū)writebuf中寫入數(shù)據(jù)(不超過 100 個字節(jié))，也可以使用read函數(shù)讀取讀緩沖區(qū)readbuf中的數(shù)據(jù)操作，操作完成以后應用程序使用close函數(shù)關閉chrdevbase設備。
hello_drv.c
?
#include?#include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? #include? /*?1.?確定主設備號*/ static?int?major?=?200; static?char?kernel_buf[1024]; static?struct?class?*hello_class; #define?MIN(a,?b)?(a? ?
2.4 測試程序編寫
驅動編寫好以后是需要測試的，一般編寫一個簡單的測試APP，測試APP運行在用戶空間。測試APP很簡單通過輸入相應的指令來對hello_drv設備執(zhí)行讀或者寫操作。
hello_drv_test.c
?
#include?#include? #include? #include? #include? #include? /* app測試 ./hello_drv_test?-w?www.zhiguoxin.cn ./hello_drv_test?-r */ int?main(int?argc,?char?**argv) { ?int?fd; ?char?buf[1024]; ?int?len; ? ?/*?1.?判斷參數(shù)?*/ ?if?(argc? ",?argv[0]); ??printf("???????%s?-r ",?argv[0]); ??return?-1; ?} ?/*?2.?打開文件?*/ ?fd?=?open("/dev/hello",?O_RDWR); ?if?(fd?==?-1) ?{ ??printf("can?not?open?file?/dev/hello "); ??return?-1; ?} ?/*?3.?寫文件或讀文件?*/ ?if?((0?==?strcmp(argv[1],?"-w"))?&&?(argc?==?3)) ?{ ??len?=?strlen(argv[2])?+?1; ??len?=?len? ?
這里的代碼很簡單就不用再說了，這是linux應用開發(fā)的知識。
2.5 編寫Makefile
?
KERNELDIR?:=?/home/zhiguoxin/linux/IMX6ULL/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek CURRENT_PATH?:=?$(shell?pwd) obj-m?:=?hello_drv.o build:?kernel_modules kernel_modules: ?$(MAKE)?-C?$(KERNELDIR)?M=$(CURRENT_PATH)?modules ?$(CROSS_COMPILE)arm-linux-gnueabihf-gcc?-o?hello_drv_test?hello_drv_test.c? clean: ?$(MAKE)?-C?$(KERNELDIR)?M=$(CURRENT_PATH)?clean?
第1行，KERNELDIR表示開發(fā)板所使用的Linux內核源碼目錄，使用絕對路徑，大家根據(jù)自己的實際情況填寫。
第2行，CURRENT_PATH表示當前路徑，直接通過運行pwd命令來獲取當前所處路徑。
第3行，obj-m表示將hello_drv.c這個文件編譯為hello_drv.ko模塊。
第8行，具體的編譯命令，后面的modules表示編譯模塊，-C表示將當前的工作目錄切換到指定目錄中，也就是KERNERLDIR目錄。M表示模塊源碼目錄，make modules命令中加入M=dir以后程序會自動到指定的 dir 目錄中讀取模塊的源碼并將其編譯為.ko 文件。
第9行，使用交叉編譯工具鏈將hello_drv_test.c編譯成可以在arm板子上運行的hello_drv_test可執(zhí)行文件。
Makefile 編寫好以后輸入make命令編譯驅動模塊，編譯過程如圖所示
有時候你可能遇到下面的錯誤
這個錯誤的原因是ubuntu中的linux源碼沒有編譯導致的，使用下面的命令將源碼編譯一遍就好了。
?
make?ARCH=arm?CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-?distclean make?ARCH=arm?CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-?imx_v7_defconfig make?ARCH=arm?CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-?all?-j16?
編譯成功以后就會生成一個叫做hello_drv.ko的文件，此文件就是hello_drv設備的驅動模塊。至此，hello_drv設備的驅動就編譯成功。
2.6 運行測試
2.6.1 上傳程序到開發(fā)板執(zhí)行
開發(fā)板啟動后通過NFS掛載Ubuntu目錄的方式，將相應的文件拷貝到開發(fā)板上。簡單來說，就是通過NFS在開發(fā)板上通過網絡直接訪問ubuntu虛擬機上的文件，并且就相當于自己本地的文件一樣。
因為我的代碼都放在/home/zhiguoxin/myproject/alientek_drv_development_source這個目錄下，所以我們將這個目錄作為NFS共享文件夾。
Ubuntu IP為192.168.10.100，一般都是掛載在開發(fā)板的mnt目錄下，這個目錄是專門用來給我們作為臨時掛載的目錄。
文件系統(tǒng)目錄簡介
然后使用MobaXterm軟件通過SSH訪問開發(fā)板。
?
ubuntu?ip:192.168.10.100 windows?ip:192.168.10.200 開發(fā)板ip:192.168.10.50?
在開發(fā)板上執(zhí)行以下命令就可以實現(xiàn)掛載了：
?
mount?-t?nfs?-o?nolock,vers=3?192.168.10.100:/home/zhiguoxin/myproject/alientek_drv_development_source?/mnt?
就將ARM板的mnt目錄掛載在ubuntu的/home/zhiguoxin/myproject/alientek_drv_development_source目錄下了。這樣我們就可以在Ubuntu下修改文件，然后可以直接在開發(fā)板上執(zhí)行可執(zhí)行文件了。當然我這里的/home/zhiguoxin/myproject/和windows之間是一個共享目錄，我也可以直接在windows上面修改文件，然后ubuntu和開發(fā)板直接進行文件同步了。
2.6.2 加載驅動模塊
驅動模塊hello_drv.ko和hello_drv_test可執(zhí)行文件都已經準備好了，接下來就是運行測試。這里我是用掛載的方式將服務端的項目文件夾掛載到arm板的mnt目錄，進入到/mnt/01_hello_drv目錄輸入如下命令加載hello_drv.ko驅動文件：
?
insmod?hello_drv.ko?
如果模塊加載成功，不會有任何提示，如果失敗會有提示，可能會出錯的是你的模塊版本和你的arm板內版本不一致。
輸入lsmod命令即可查看當前系統(tǒng)中存在的模塊
?
lsmod?
當前系統(tǒng)只有hello_drv這一個模塊。輸入如下命令查看當前系統(tǒng)中有沒有hello_drv這個設備：
?
cat?/proc/devices?
可以看出，當前系統(tǒng)存在hello_drv這個設備，主設備號為200，跟我們設置的主設備號一致。
2.7 創(chuàng)建設備節(jié)點文件
驅動加載成功需要在/dev目錄下創(chuàng)建一個與之對應的設備節(jié)點文件，應用程序就是通過操作這個設備節(jié)點文件來完成對具體設備的操作。輸入如下命令創(chuàng)建/dev/hello_drv這個設備節(jié)點文件：
?
mknod?/dev/hello_drv?c?200?0?
其中mknod是創(chuàng)建節(jié)點命令，/dev/hello_drv 是要創(chuàng)建的節(jié)點文件，c表示這是個字符設備，200是設備的主設備號，0是設備的次設備號。創(chuàng)建完成以后就會存在/dev/hello_drv 這個文件，可以使用ls /dev/chrdevbase -l命令查看
?
ls?/dev/hello_drv?-l?
如果hello_drv_test想要讀寫hello_drv設備，直接對/dev/hello_drv進行讀寫操作即可。相當于/dev/hello_drv這個文件是hello_drv設備在用戶空間中的實現(xiàn)。Linux下一切皆文件，包括設備也是文件，現(xiàn)在大家應該是有這個概念了吧？
2.8 hello_drv設備操作測試
一切準備就緒。使用hello_drv_test軟件操作hello_drv這個設備，看看讀寫是否正常，首先進行寫操作，將字符串輸入www.zhiguoxin.cn寫入到內核中
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./hello_drv_test?-w?www.zhiguoxin.cn?
然后再從內核中將剛寫入的字符串讀出來
?
./hello_drv_test?-r?
可以看到讀寫正常，說明我們編寫的hello_drv驅動是沒有問題的。
2.9 卸載驅動模塊
如果不再使用某個設備的話可以將其驅動卸載掉，比如輸入如下命令卸載掉 hello_drv這個設備：
?
rmmod?hello_drv.ko?
卸載以后使用lsmod命令查看hello_drv這個模塊還存不存在：
可以看出，此時系統(tǒng)已經沒有任何模塊了，hello_drv這個模塊也不存在了，說明模塊卸載成功。而且系統(tǒng)中也沒有了hello_drv這個設備。
至此，hello_drv這個設備的整個驅動就驗證完成了，驅動工作正常。以后的字符設備驅動實驗基本都可以此為模板進行編寫。
總結
上面就是Linux中的字符驅動，可能初學者看起來還有點難，這里我并沒有講解代碼，因為沒有什么好講的，就是我前面在單片機開發(fā)中的常說的面向對象編程和指針函數(shù)的實際運用，所以做嵌入式還是要把C語言的基礎打牢，尤其是結構體、指針和鏈表，如果這三個你能很好的理解那么Linux驅動編程就非常容易，因為驅動開發(fā)就=軟件架構+硬件操作。而軟件架構就需要你要非常熟悉C語言，硬件操作就是你單片機的那幾個寄存器操作。當然如果你學了RT-Thread那么學習Linux驅動也是非常容易的，因為RT-Thread是內核+驅動，而FreeRTOS僅僅只是一個內核而已。
審核編輯：湯梓紅
工商網監(jiān)
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