2021-Linux程序设计-Lec4-Kernel Driver

Lec4-Kernel Driver

1. Linux内核简介

  1. 什么是内核
    1. 操作系统是一系列程序的集合，其中最重要的部分构成了内核
    2. 单内核/微内核
      1. 单内核是一个很大的进程，内部可以分为若干模块，运行时是一个独立的二进制文件，模块间通讯通过直接调用函数实现
      2. 微内核中大部分内核作为独立的进程在特权下运行，通过消息传递进行通讯
    3. Linux内核的能力
      1. 内存管理，文件系统，进程管理，多线程支持，抢占式，多处理支持
    4. Linux内核区别于其他UNIX商业内核的优点
      1. 单内核，模块支持
      2. 免费/开源
      3. 支持多种CPU，硬件支持能力非常强大
      4. Linux开发者都是非常出色的程序员
      5. 通过学习Linux内核的源码可以了解现代操作系统的实现原理

2. 层次结构

3. 内核源代码获取

  1. https://www.kernel.org/
  2. apt-get方式
    1. apt-cache search linux-source //查看内核版本
    2. apt-get install linux-source-3.2
    3. 下载下来的位置一般在/usr/src
  3. 从Ubuntu的源码库中获得内核源码
    1. git clone git://kernel.ubuntu.com/ubuntu/ubuntuhardy.git

3.1. 后续操作

  1. 解压：tar jxvf /home/ldd/linux-3.2.tar.bz2
  2. 清除先前编译产生的目标文件：make clean
  3. 配置内核：make menuconfig

3.2. 编译选项

  1. 内核组件
    1. Y(*) 要集成该组件
    2. N() 不需要该组件，以后会没有这项功能
    3. M 以后再加该组件为一个外部模块

3.3. 编译内核

  1. make
  2. make zImage
  3. make bzImage
  4. make modules

3.4. 启用新内核

  1. make install(慎用)
    1. 将编译好的内核copy到/boot
  2. 配置引导菜单

3.5. 初始化程序的建立

  1. initrd
    1. mkinitrd /boot/initrd.img $(uname -r)
  2. initramfs
    1. mkinitramfs -o /boot/initrd.img 2.6.24-16
    2. update-initramfs -u

3.6. Debian和Ubuntu的简便办法

  1. make-kpkg
    1. 用于make menuconfig之后
  2. 好处
    1. 后面所有的部分自动做完
    2. 会把编译好的内核打成deb安装包
    3. 可以拷到其它机器安装

3.7. 驱动

  1. 许多常见驱动的源代码集成在内核源码里
  2. 也有第三方开发的驱动，可以单独编译成模块.ko
  3. 编译需要内核头文件的支持

3.8. 加载模块

  1. 底层命令
    1. insmod：加载模块
    2. rmmod：释放模块
  2. 高层命令
    1. modprobe
    2. modprobe -r

3.9. 模块依赖

  1. 一个模块A引用另一个模块B所导出的符号，我们就说模块B被模块A引用。
  2. 如果要装载模块A，必须先要装载模块B。否则，模块B所导出的那些符号的引用就不可能被链接到模块A中。这种模块间的相互关系就叫做模块依赖。

3.10. 模块的依赖

  1. 自动按需加载
  2. 自动按需卸载
  3. moddep
  4. lsmod
  5. modinfo

3.11. 模块之间的通讯

  1. 模块是为了完成某种特定任务而设计的。其功能比较的单一，为了丰富系统的功能，所以模块之间常常进行通信。其之间可以共享变量，数据结构，也可以调用对方提供的功能函数。

3.12. 模块相关命令

  1. insmod <module.ko> [module parameters]
    1. Load the module
    2. 注意，只有超级用户才能使用这个命令
  2. rmmod
    1. Unload the module
  3. lsmod
    1. List all modules loaded into the kernel
    2. 这个命令和cat /proc/modules等价
  4. modprobe [-r] <module name>：这个文件是个假文件，如果打印出来，得到的是当前内核加载的模块列表，不可修改、不可删除。
    1. Load the module specified and modules it depends

3.13. Linux内核模块与应用程序的区别

注意点

  1. 不可以使用C库来开发驱动程序
  2. 没有内存保护机制
  3. 小内核栈
  4. 并发上的考虑

最简单的内核模块例子

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#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
static int __init hello_init(void)
{
  printk(KERN_INFO "Hello world\n");
  return 0;
}
static void __exit hello_exit(void)
{
  printk(KERN_INFO "Goodbye world\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
  1. static int __init hello_init(void)
  2. static void __exit hello_exit(void)
    1. Static声明，因为这种函数在特定文件之外没有其它意义
    2. __init标记, 该函数只在初始化期间使用。模块装载后，将该函数占用的内存空间释放
    3. __exit标记 该代码仅用于模块卸载。
  3. Init/exit
    1. 宏：module_init/module_exit
    2. 声明模块初始化及清除函数所在的位置
    3. 装载和卸载模块时，内核可以自动找到相应的函数
      1. module_init(hello_init);
      2. module_exit(hello_exit);

编译内核模块

  1. Makefile文件
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obj-m := hello.o
all:
  make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(shell pwd) modules
clean:
  make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(shell pwd) clean
  1. Module includes more files
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obj-m:=hello.o
hello-objs := a.o b.o

和硬件打交道

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//file name: ioremap_driver.c
#include<linux/module.h>
#include<linux/init.h>
#include<asm/io.h>
//用于存放虚拟地址和物理地址
volatile unsigned long virt,phys;
//用与存放三个寄存器的地址
volatile unsigned long*GPBCON,*GPBDAT,*GPBUP;
void led_device_init(void){
  //0x56000010+0x10 包揽全所有的IO引脚寄存器地址
  phys=0x56000010;
  //0x56000010=GPBCON
  //在虚拟地址空间中申请一块长度为0x10的连续空间
  //这样，物理地址phys到phys+0x10对应虚拟地址virt到virt+0x10
  virt=(unsigned long)ioremap(phys,0x10);
}
void led_device_init(void)
{
  // 0x56000010 + 0x10 包揽全所有的IO引脚寄存
  器地址
  phys=0x56000010 ;
  // 0x56000010=GPBCON
  //在虚拟地址空间中申请一块长度为0x10的连续空间
  //这样，物理地址phys到phys+0x10对应虚拟地址
  virt到virt+0x10
  virt=(unsigned long)ioremap(phys,0x10);
  GPBCON=(unsigned long*)(virt+0x00);
  //指定需要操作的三个寄存器的地址
  GPBDAT=(unsigned long*)(virt+0x04);
  GPBUP=(unsigned long*)(virt+0x08);
}
//led配置函数,配置开发板的GPIO的寄存器
void led_configure(void)
{
*GPBCON&=~(3<<10)&~(3<<12)&~(3<<16)&~(3<<20);
}
//led配置函数,配置开发板的GPIO的寄存器
void led_configure(void)
{
  *GPBCON&=~(3<<10)&~(3<<12)&~(3<<16)&~(3<<20);
  //GPB12 defaule 清零
  *GPBCON|=(1<<10)|(1<<12)|(1<<16)|(1<<20);
  //output 输出模式
  *GPBUP|=(1<<5)|(1<<6)|(1<<8)|(1<<10);
  //禁止上拉电阻
}
//点亮led
void led_on(void)
{
  *GPBDAT&=~(1<<5)&~(1<<6)&~(1<<8)&~(1<<10);
}
//灭掉led
void led_off(void)
{
  *GPBDAT&=~(1<<5)&~(1<<6)&~(1<<8)&~(1<<10);
}
//灭掉led
void led_off(void)
{
  *GPBDAT|=(1<<5)|(1<<6)|(1<<8)|(1<<10);
}
//模块初始化函数
static int __init led_init(void)
{
  led_device_init();
  //实现IO内存的映射
  led_configure();
  //配置GPB5 6 8 10为输出
  led_on();
  printk("hello ON!\n");
  return 0 ;
}
//模块卸载函数
static void __exit led_exit(void)
{
  led_on();
  printk("hello ON!\n");
  return 0 ;
}
//模块卸载函数
static void __exit led_exit(void)
{
  led_off();
  iounmap((void*)virt);
  //撤销映射关系
  printk("led OFF!\n");
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("hurryliu<>");
MODULE_VERSION(“2012-8-5.1.0”);
2021-Linux程序设计
#linux #课程笔记 #内核
2021-Linux程序设计-Lec4-Kernel Driver
https://spricoder.github.io/2021/05/03/2021-Linux-Programming/2021-Linux-Programming-Lec4-Kernel%20Driver/
作者
SpriCoder
发布于
2021年5月3日
许可协议