摘要：搞嵌入式有兩個(gè)方向，一個(gè)是嵌入式軟件開發(fā)(MCU方向)，另一個(gè)是嵌入式軟件開發(fā)(Linux方向)。其中MCU方向基本是裸機(jī)開發(fā)和RTOS開發(fā)。而Linux開發(fā)方向又分為驅(qū)動(dòng)開發(fā)和應(yīng)用開發(fā)。其中應(yīng)用開發(fā)相比于驅(qū)動(dòng)開發(fā)來說簡單一些，因?yàn)楦泸?qū)動(dòng)你要和Linux內(nèi)核打交道。而我們普通的單片機(jī)開發(fā)就是應(yīng)用開發(fā)，和Linux開發(fā)沒多大區(qū)別，單片機(jī)你去調(diào)別人寫好的庫，Linux應(yīng)用你也是調(diào)別人的驅(qū)動(dòng)程序。

很多人學(xué)習(xí)的路線是：單片機(jī)到RTOS，再到Linux，這個(gè)路線其實(shí)是非常好，循序漸進(jìn)。因?yàn)槟銓W(xué)了單片機(jī)，所以你對RTOS的學(xué)習(xí)會很容易理解，單片機(jī)+RTOS在市面上也可以找到一個(gè)很好的工作。因?yàn)槟銓W(xué)了RTOS，你會發(fā)現(xiàn)Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)其實(shí)和RT-Thread的驅(qū)動(dòng)程序非常像，其實(shí)RT-Thread驅(qū)動(dòng)大概率可能是仿Linux驅(qū)動(dòng)而寫的。所以如果你現(xiàn)在在學(xué)RT-Thread，那么你后面去搞Linux驅(qū)動(dòng)也是非常容易上手。

當(dāng)然做驅(qū)動(dòng)去之前你還是要學(xué)習(xí)一下ubuntu操作系統(tǒng)、ARM裸機(jī)和linux系統(tǒng)移植，其目的就是為學(xué)習(xí)嵌入式linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)做準(zhǔn)備。

話不多說先來一個(gè)hello驅(qū)動(dòng)程序。

在Linux中，驅(qū)動(dòng)分為三大類：

• 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)

• 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)是占用篇幅最大的一類驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樽址O(shè)備最多，從最簡單的點(diǎn)燈到 I2C、SPI、音頻等都屬于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的類型。

• 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)

• 塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)要比字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，就是因?yàn)槠鋸?fù)雜所以半導(dǎo)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(shè)備驅(qū)動(dòng)就是存儲器設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，比如 EMMC、NAND、SD 卡和 U 盤等存儲設(shè)備，因?yàn)檫@些存儲設(shè)備的特點(diǎn)是以存儲塊為基礎(chǔ)，因此叫做塊設(shè)備。

• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)

• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)很好理解，不管是有線的還是無線的，都屬于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的范疇。一個(gè)設(shè)備可以屬于多種設(shè)備驅(qū)動(dòng)類型，比如 USB WIFI，其使用 USB 接口，所以屬于字符設(shè)備，但是其又能上網(wǎng)，所以也屬于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

我使用的Linux內(nèi)核版本為 4.1.15，其支持設(shè)備樹Device tree。開發(fā)板是正點(diǎn)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。

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一、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡介

字符設(shè)備是Linux驅(qū)動(dòng)中最基本的一類設(shè)備驅(qū)動(dòng)，字符設(shè)備就是一個(gè)一個(gè)字節(jié)，按照字節(jié)流進(jìn)行讀寫操作的設(shè)備，讀寫數(shù)據(jù)是分先后順序的。比如我們最常見的點(diǎn)燈、按鍵、IIC、SPI，LCD 等等都是字符設(shè)備，這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)就叫做字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

那么在Linux下的應(yīng)用程序是如何調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的呢？Linux 應(yīng)用程序?qū)︱?qū)動(dòng)程序的調(diào)用如圖所示：

在Linux 中一切皆為文件，驅(qū)動(dòng)加載成功以后會在/dev目錄下生成一個(gè)相應(yīng)的文件，應(yīng)用程序通過對這個(gè)名為/dev/xxx(xxx是具體的驅(qū)動(dòng)文件名字)的文件進(jìn)行相應(yīng)的操作即可實(shí)現(xiàn)對硬件的操作。

寫驅(qū)動(dòng)的人必須要懂linux內(nèi)核，因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序就是根據(jù)內(nèi)核的函數(shù)去寫的，寫應(yīng)用的人不需要懂linux內(nèi)核，只需要熟悉驅(qū)動(dòng)函數(shù)就可以了。

比如現(xiàn)在有個(gè)叫做/dev/led的驅(qū)動(dòng)文件，是led燈的驅(qū)動(dòng)文件。應(yīng)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(guān)閉/dev/led 這個(gè)文件。open和 close 就是打開和關(guān)閉led驅(qū)動(dòng)的函數(shù)，如果要點(diǎn)亮或關(guān)閉led，那么就使用write 函數(shù)來操作，也就是向此驅(qū)動(dòng)寫入數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)就是要關(guān)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(qū)動(dòng)中讀取相應(yīng)的狀態(tài)。

應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間，而Linux 驅(qū)動(dòng)屬于內(nèi)核的一部分，因此驅(qū)動(dòng)運(yùn)行于內(nèi)核空間。當(dāng)我們在用戶空間想要實(shí)現(xiàn)對內(nèi)核的操作，比如使用open函數(shù)打開/dev/led這個(gè)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)橛脩艨臻g不能直接對內(nèi)核進(jìn)行操作，因此必須使用一個(gè)叫做“系統(tǒng)調(diào)用”的方法來實(shí)現(xiàn)從用戶空間“陷入”到內(nèi)核空間，這樣才能實(shí)現(xiàn)對底層驅(qū)動(dòng)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(diào)用作為C庫的一部分。當(dāng)我們調(diào)用 open 函數(shù)的時(shí)候流程如圖所示：

其中關(guān)于C庫以及如何通過系統(tǒng)調(diào)用“陷入”到內(nèi)核空間這個(gè)我們不用去管，我們關(guān)注的是應(yīng)用程序和具體的驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用程序使用到的函數(shù)在具體驅(qū)動(dòng)程序中都有與之對應(yīng)的函數(shù)，比如應(yīng)用程序中調(diào)用了open這個(gè)函數(shù)，那么在驅(qū)動(dòng)程序中也得有一個(gè)名為open的函數(shù)。每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，在驅(qū)動(dòng)中都有與之對應(yīng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

在Linux內(nèi)核文件include/linux/fs.h中有個(gè)叫做file_operations的結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體就是Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)操作函數(shù)集合，我們可以將linux內(nèi)核文件下載下來，然后用source insight打開看看。內(nèi)容如下所示：

點(diǎn)擊此處下載linux內(nèi)核源碼

• 第 1589 行，owner 擁有該結(jié)構(gòu)體的模塊的指針，一般設(shè)置為THIS_MODULE。

• 第 1590 行，llseek函數(shù)用于修改文件當(dāng)前的讀寫位置。

• 第 1591 行，read函數(shù)用于讀取設(shè)備文件。

• 第 1592 行，write函數(shù)用于向設(shè)備文件寫入(發(fā)送)數(shù)據(jù)。

• 第 1596 行，poll是個(gè)輪詢函數(shù)，用于查詢設(shè)備是否可以進(jìn)行非阻塞的讀寫。

• 第 1597 行，unlocked_ioctl函數(shù)提供對于設(shè)備的控制功能，與應(yīng)用程序中的ioctl函數(shù)對應(yīng)。

• 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(yīng)用程序調(diào)用將會使用此函數(shù)。在32位的系統(tǒng)上運(yùn)行32位的應(yīng)用程序調(diào)用的是unlocked_ioctl。

• 第 1599 行，mmap函數(shù)用于將將設(shè)備的內(nèi)存映射到進(jìn)程空間中(也就是用戶空間)，一般幀緩沖設(shè)備會使用此函數(shù)，比如LCD驅(qū)動(dòng)的顯存，將幀緩沖(LCD 顯存)映射到用戶空間中以后應(yīng)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(nèi)核空間之間來回復(fù)制。

• 第 1601 行，open 函數(shù)用于打開設(shè)備文件。

• 第 1603 行，release 函數(shù)用于釋放(關(guān)閉)設(shè)備文件，與應(yīng)用程序中的 close 函數(shù)對應(yīng)。

• 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(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)

學(xué)習(xí)裸機(jī)或者STM32的時(shí)候關(guān)于驅(qū)動(dòng)的開發(fā)就是初始化相應(yīng)的外設(shè)寄存器，在Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)中肯定也是要初始化相應(yīng)的外設(shè)寄存器，這個(gè)是毫無疑問的。只是在Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)中我們需要按照其規(guī)定的框架來編寫驅(qū)動(dòng)，所以說學(xué)Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)重點(diǎn)是學(xué)習(xí)其驅(qū)動(dòng)框架。

2.1 APP打開的文件在內(nèi)核中如何表示

APP使用open函數(shù)打開文件時(shí)，可以得到一個(gè)整數(shù)，這個(gè)整數(shù)被稱為文件句柄。對于APP的每一個(gè)文件句柄，在內(nèi)核里面都有一個(gè)struct file與之對應(yīng)。

我們使用open打開文件時(shí)，傳入的 flags、mode等參數(shù)會被記錄在內(nèi)核中對應(yīng)的struct file結(jié)構(gòu)體里(f_flags、f_mode)：

去讀寫文件時(shí)，文件的當(dāng)前偏移地址也會保存在struct file結(jié)構(gòu)體的f_pos成員里。

打開字符設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)，內(nèi)核中也有對應(yīng)的struct file注意這個(gè)結(jié)構(gòu)體中的結(jié)構(gòu)體：struct file_operations *f_op，這是由驅(qū)動(dòng)程序提供的。

結(jié)構(gòu)體struct file_operations的定義如下，上面也講過了。

2.2 編寫驅(qū)動(dòng)程序的步驟

• 1、確定主設(shè)備號，也可以讓內(nèi)核分配。

• 2、定義自己的file_operations結(jié)構(gòu)體。

• 3、實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的drv_open/drv_read/drv_write等函數(shù)，填入file_operations結(jié)構(gòu)體。

• 4、把file_operations結(jié)構(gòu)體告訴內(nèi)核：register_chrdev。

• 5、誰來注冊驅(qū)動(dòng)程序啊？得有一個(gè)入口函數(shù)：安裝驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，就會去調(diào)用這個(gè)入口函數(shù)。

• 6、有入口函數(shù)就應(yīng)該有出口函數(shù)：卸載驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，出口函數(shù)調(diào)用unregister_chrdev。

• 7、其他完善：提供設(shè)備信息，自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)：class_create，device_create。

2.3 試驗(yàn)程序編寫

應(yīng)用程序調(diào)用open函數(shù)打開hello_drv這個(gè)設(shè)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(gè)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(yīng)用程序使用close函數(shù)關(guān)閉chrdevbase設(shè)備。

hello_drv.c

2.4 測試程序編寫

驅(qū)動(dòng)編寫好以后是需要測試的，一般編寫一個(gè)簡單的測試APP，測試APP運(yùn)行在用戶空間。測試APP很簡單通過輸入相應(yīng)的指令來對hello_drv設(shè)備執(zhí)行讀或者寫操作。

hello_drv_test.c

這里的代碼很簡單就不用再說了，這是linux應(yīng)用開發(fā)的知識。

2.5 編寫Makefile

• 第1行，KERNELDIR表示開發(fā)板所使用的Linux內(nèi)核源碼目錄，使用絕對路徑，大家根據(jù)自己的實(shí)際情況填寫。

• 第2行，CURRENT_PATH表示當(dāng)前路徑，直接通過運(yùn)行pwd命令來獲取當(dāng)前所處路徑。

• 第3行，obj-m表示將hello_drv.c這個(gè)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(dāng)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(dòng)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(yùn)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(qū)動(dòng)模塊，編譯過程如圖所示

有時(shí)候你可能遇到下面的錯(cuò)誤

這個(gè)錯(cuò)誤的原因是ubuntu中的linux源碼沒有編譯導(dǎo)致的，使用下面的命令將源碼編譯一遍就好了。

編譯成功以后就會生成一個(gè)叫做hello_drv.ko的文件，此文件就是hello_drv設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊。至此，hello_drv設(shè)備的驅(qū)動(dòng)就編譯成功。

2.6 運(yùn)行測試

2.6.1 上傳程序到開發(fā)板執(zhí)行

開發(fā)板啟動(dòng)后通過NFS掛載Ubuntu目錄的方式，將相應(yīng)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(wǎng)絡(luò)直接訪問ubuntu虛擬機(jī)上的文件，并且就相當(dāng)于自己本地的文件一樣。

因?yàn)槲业拇a都放在/home/zhiguoxin/myproject/alientek_drv_development_source這個(gè)目錄下，所以我們將這個(gè)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(gè)目錄是專門用來給我們作為臨時(shí)掛載的目錄。

然后使用MobaXterm軟件通過SSH訪問開發(fā)板。

在開發(fā)板上執(zhí)行以下命令就可以實(shí)現(xiàn)掛載了：

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(dāng)然我這里的/home/zhiguoxin/myproject/和windows之間是一個(gè)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(jìn)行文件同步了。

2.6.2 加載驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊hello_drv.ko和hello_drv_test可執(zhí)行文件都已經(jīng)準(zhǔn)備好了，接下來就是運(yùn)行測試。這里我是用掛載的方式將服務(wù)端的項(xiàng)目文件夾掛載到arm板的mnt目錄，進(jìn)入到/mnt/01_hello_drv目錄輸入如下命令加載hello_drv.ko驅(qū)動(dòng)文件：

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(cuò)的是你的模塊版本和你的arm板內(nèi)版本不一致。

輸入lsmod命令即可查看當(dāng)前系統(tǒng)中存在的模塊

當(dāng)前系統(tǒng)只有hello_drv這一個(gè)模塊。輸入如下命令查看當(dāng)前系統(tǒng)中有沒有hello_drv這個(gè)設(shè)備：

可以看出，當(dāng)前系統(tǒng)存在hello_drv這個(gè)設(shè)備，主設(shè)備號為200，跟我們設(shè)置的主設(shè)備號一致。

2.7 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件

驅(qū)動(dòng)加載成功需要在/dev目錄下創(chuàng)建一個(gè)與之對應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件，應(yīng)用程序就是通過操作這個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件來完成對具體設(shè)備的操作。輸入如下命令創(chuàng)建/dev/hello_drv這個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件：

其中mknod是創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)命令，/dev/hello_drv 是要?jiǎng)?chuàng)建的節(jié)點(diǎn)文件，c表示這是個(gè)字符設(shè)備，200是設(shè)備的主設(shè)備號，0是設(shè)備的次設(shè)備號。創(chuàng)建完成以后就會存在/dev/hello_drv 這個(gè)文件，可以使用ls /dev/chrdevbase -l命令查看

如果hello_drv_test想要讀寫hello_drv設(shè)備，直接對/dev/hello_drv進(jìn)行讀寫操作即可。相當(dāng)于/dev/hello_drv這個(gè)文件是hello_drv設(shè)備在用戶空間中的實(shí)現(xiàn)。Linux下一切皆文件，包括設(shè)備也是文件，現(xiàn)在大家應(yīng)該是有這個(gè)概念了吧？

2.8 hello_drv設(shè)備操作測試

一切準(zhǔn)備就緒。使用hello_drv_test軟件操作hello_drv這個(gè)設(shè)備，看看讀寫是否正常，首先進(jìn)行寫操作，將字符串輸入www.zhiguoxin.cn寫入到內(nèi)核中

然后再從內(nèi)核中將剛寫入的字符串讀出來

可以看到讀寫正常，說明我們編寫的hello_drv驅(qū)動(dòng)是沒有問題的。

2.9 卸載驅(qū)動(dòng)模塊

如果不再使用某個(gè)設(shè)備的話可以將其驅(qū)動(dòng)卸載掉，比如輸入如下命令卸載掉 hello_drv這個(gè)設(shè)備：

卸載以后使用lsmod命令查看hello_drv這個(gè)模塊還存不存在：

編輯切換為居中

可以看出，此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)沒有任何模塊了，hello_drv這個(gè)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(gè)設(shè)備。

至此，hello_drv這個(gè)設(shè)備的整個(gè)驅(qū)動(dòng)就驗(yàn)證完成了，驅(qū)動(dòng)工作正常。以后的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)基本都可以此為模板進(jìn)行編寫。

總結(jié)

上面就是Linux中的字符驅(qū)動(dòng)，可能初學(xué)者看起來還有點(diǎn)難，這里我并沒有講解代碼，因?yàn)闆]有什么好講的，就是我前面在單片機(jī)開發(fā)中的常說的面向?qū)ο缶幊毯椭羔樅瘮?shù)的實(shí)際運(yùn)用，所以做嵌入式還是要把C語言的基礎(chǔ)打牢，尤其是結(jié)構(gòu)體、指針和鏈表，如果這三個(gè)你能很好的理解那么Linux驅(qū)動(dòng)編程就非常容易，因?yàn)轵?qū)動(dòng)開發(fā)就=軟件架構(gòu)+硬件操作。而軟件架構(gòu)就需要你要非常熟悉C語言，硬件操作就是你單片機(jī)的那幾個(gè)寄存器操作。當(dāng)然如果你學(xué)了RT-Thread那么學(xué)習(xí)Linux驅(qū)動(dòng)也是非常容易的，因?yàn)镽T-Thread是內(nèi)核+驅(qū)動(dòng)，而FreeRTOS僅僅只是一個(gè)內(nèi)核而已。

原文作者：果果小師弟