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周谈(25)-初识驱动开发

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前言

工作需要，开始接触驱动开发了。

驱动作为硬件和软件的中间层，驱动就是驱使硬件设备行动的简述。驱动与底层的硬件打交道，根据硬件的工作方式，读写寄存器，完成设备的控制。驱动向上提供统一的API，使得软件可以使用通用的接口，通过不同的驱动来控制不同的设备。

驱动

驱动根据是否有操作系统，分为无操作系统的驱动和有操作系统的驱动。在无操作系统的情况下，驱动的接口由驱动工程师自定义，暴露自定义的接口。在有操作系统的情况下，驱动的结构由操作系统定义，驱动工程师需要根据架构设计驱动，把驱动整合到操作系统的内核中。

操作系统为一类设备定义一套接口，相同类别的设备使用相同的方式编写驱动。可以看出，在有操作系统的情况下，驱动编写比较复杂，需要符合操作系统的架构。但是，通过操作系统的控制，我们可以享受到操作系统提供的一系列功能支持，比如多任务多并发、内存管理机制。而且，在操作系统的控制下，上层应用可以更方便的控制设备。

驱动分类

根据设备类型分为字符设备、块设备和网络设备。

  • 字符设备：指那些必须以串行顺序依次进行访问的设备，如触摸屏、磁带驱动器、鼠标等
  • 块设备： 备可以按任意顺序进行访问，以块为单位进行操作，如硬盘、eMMC 等
  • 网络设备： 面向数据包的接收和发送而设计，它并不倾向于对应于文件系统的节点。

网络设备是基于套接字API控制，字符设备和块设备基于文件系统来控制。

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驱动开发

一般情况下，在Linux系统下，驱动作为内核的子模块，可以静态编译到内核中，也可以动态加载/卸载。具体实现时，只需要在Makefile定义目标文件时区分一下就可以了。

  • obj-y 表示对应的文件要编译链接到内核中。
  • obj-m 表示文件要作为模块编译。
  • obj-n 表示目标文件不会被编译。

通过内核编译的配置，会生成不同的makefile，然后编译的时候会根据上述规则进行编译。

除了具有 obj- 形式的目标以外，还有 lib-y library 库、hostprogs-y 主机程序等目标，但是这两类基本都应用在特定的目录和场合下。

模块编译采用模块名加 -y 或 -objs 后缀的形式来定义模块的组成文件。

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# Makef ile for the linux ext2-f ilesystem routines.
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obj-$(CONF iG_EXT2_FS) += ext2.o
ext2-y := balloc.o dir.o f ile.o fsync.o ialloc.o inode.o \
 ioctl.o namei.o super.o symlink.o
ext2-$(CONF iG_EXT2_FS_XATTR) += xattr.o xattr_user.o xattr_trusted.o
ext2-$(CONF iG_EXT2_FS_POSIX_ACL) += acl.o
ext2-$(CONF iG_EXT2_FS_SECURITY) += xattr_security.o
ext2-$(CONF iG_EXT2_FS_XIP) += xip.o

模块的名字为 ext2，由 balloc.o、dir.o、file.o 等多个目标文件最终链接生成 ext2.o 直至
ext2.ko 文件，并且是否包括 xattr.o、acl.o 等则取决于内核配置文件的配置情况，例如，如果
CONFIG_ EXT2_FS_POSIX_ACL 被选择，则编译 acl.c 得到 acl.o 并最终链接进 ext2。

内核模块

模块本身不会被编译进内核，可以控制内核的大小。模块一旦被加载，它就和其他部分是一样的。下面是一个最简单的模块编码：

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// hello.c
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
static char *who= "world";
static int times = 1;
module_param(times,int,S_IRUSR);
module_param(who,charp,0644);
static int hello_init(void)
{
    int i;
    for(i=0;i<times;i++)
    printk(KERN_ALERT "(%d) hello, %s!\n",i,who);
    return 0;
}

void hello_api(void)
{
    printk(KERN_ALERT"Call, %s from module hello!\n",__func__);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(hello_api);


static void hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT"Goodbye, %s!\n",who);
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_DESCRIPTION("Module named hello.");


// Makefile
KERN_DIR=/lib/modules/$(shell uname -r)/build

EXTRA_CFLAGS=
all:
        make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules

clean:
        make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
        rm -rf modules.order

obj-m    += hello.o


内核模块包括几个部分：

  • 加载函数， 使用insmod或者modprobe命令时，会执行加载函数，完成模块的初始化
  • 卸载函数，使用rmmod命令时，会执行卸载函数，完成模块的卸载工作
  • 模块许可证， 定义模块的许可证权限， 基本上使用GPL许可与
  • 模块参数， 可以通过模块参数控制模块内部的全局变量的值， 可选
  • 模块导出符号，导出的符号可以被其他模块使用，可选， 可以在/proc/kallsyms文件里看到符号
  • 模块作者等信息

这是一个最简单的模块，两个文件放到同一个目录下，然后make就可以生成目标文件hello.ko。
内核模块的安装卸载命令如下：

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lsmod # 查看内核模块信息
insmod hello.ko # 加载hello模块
rmmod hello # 删除hello模块

# 查看导出的符号
root@keep-VirtualBox:/home/keep/code/code/test/616# cat /proc/kallsyms | grep hello_api
ffffffffc0549010 r __kstrtab_hello_api  [hello]
ffffffffc054901a r __kstrtabns_hello_api        [hello]
ffffffffc0549000 r __ksymtab_hello_api  [hello]
ffffffffc054801d t hello_api    [hello]

printk输出的信息，可以使用dmesg命令查看。

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[17139.388328] (0) hello, world!
[17261.008559] Goodbye, world!
[17265.353372] (0) hello, world!


更多

开始学习驱动开发了，其实没什么困难的，驱动发展到现在，和其他所有领域一样，都有了一套完整的体系。剩下的就是花时间去学习了。

本周五的时候，小组开了一个会议，主要就是对我之前开发的一个程序进行设计评审吧，也算是一个找茬的会议。做软件的都是这样，当你完成一个功能之后，然后再给客户看的时候，他们就会产生各种新的想法。即使前面已经再三确认了需求，但是在功能完成之后，他们肯定会提出新的要求，甚至否认之前已经达成的共识。这个跟项目管理的关系是比较大的，任务没有跟踪，需求没有文档化。到最后，领导说什么就是什么了，呵呵。

软件开发就是一个不断迭代的过程，需求不断的变化，功能也需要不断地完善。这个都是无可厚非的。

但是，在这个小组内，就有一个比较奇怪的现象。就是希望一切都能够一步到位，在软件设计的阶段就希望把很多东西做的完美。希望一切都可以抽象化， 过程通用化，统一化。比较难接收的就是要求一次实现之后不能改动了。在这个方面，一时之间还是有点儿难以适应，不敢苟同。在过往做过的这么多项目中，项目都是迭代演进的，需求也是按紧急程度分批实现的。罗马不是一天就建成的。软件开发，也是尽量往简单, 易扩展性来开发，毕竟软件开发不是一锤子买卖，是需要长久发展演化，不断进行完善的。老是抱着古老的瀑布开发模式来管理项目，的确是有点儿不与时俱进的,关键也没按瀑布模式产生任务文档啊。

既来之，则安之，适应之，改变之。

加油！

行动，才不会被动!

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