本文檔概述了利用Linux開發(fā)板為 Linux 內(nèi)核開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)知識(shí)，并簡(jiǎn)單介紹了如何配置和操作 Linux 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)板。

一 開發(fā)背景

驅(qū)動(dòng)是什么?

驅(qū)動(dòng)程序是駐留在內(nèi)核中的一段軟件，它促進(jìn)主機(jī)設(shè)備和外圍設(shè)備之間的交互。這些外圍設(shè)備可以像鼠標(biāo)或鍵盤一樣普通。我們?yōu)槲覀兊漠a(chǎn)品編寫驅(qū)動(dòng)程序軟件以便于和各種類型的主機(jī)設(shè)備進(jìn)行通信。

Linux內(nèi)核是什么?

Linux內(nèi)核是構(gòu)成Linux操作系統(tǒng)的核心代碼。 常見的基于 Linux 內(nèi)核構(gòu)建的高級(jí)操作系統(tǒng) (HLOS) 有 Ubuntu、Android 和 Yocto。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)硬件和軟件的共生體，它們互相依賴，不可分割。計(jì)算機(jī)的硬件，含有外圍設(shè)備、處理器、內(nèi)存、硬盤和其他的電子設(shè)備組成計(jì)算機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。但是沒有軟件來(lái)操作和控制它，自身是不能工作的。完成這個(gè)控制工作的軟件就稱為操作系統(tǒng)，在Linux的術(shù)語(yǔ)中被稱為“內(nèi)核”，也可以稱為“核心”。Linux內(nèi)核的主要模塊(或組件)分以下幾個(gè)部分：存儲(chǔ)管理、CPU和進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理和驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通信，以及系統(tǒng)的初始化(引導(dǎo))、系統(tǒng)調(diào)用等。內(nèi)核的開發(fā)由維護(hù)人員來(lái)監(jiān)督，維護(hù)者擁有內(nèi)核各個(gè)部分的開發(fā)權(quán)，任何添加到內(nèi)核各自部分的代碼都必須發(fā)送給他們。 這個(gè)通過(guò)維護(hù)者向內(nèi)核提交代碼的過(guò)程稱為上游。

二 環(huán)境搭建

1. 軟件環(huán)境的搭建

強(qiáng)烈建議使用專用的 Linux 機(jī)器來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。 除了 Windows PC 之外，使用 Linux 機(jī)器或使用 Linux 機(jī)器作為主計(jì)算機(jī)是驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的理想配置。不建議在 Windows 中運(yùn)行 Linux 虛擬機(jī)，除非用戶具有設(shè)置和維護(hù)虛擬機(jī)的背景，否則可能會(huì)出現(xiàn)兼容性和存儲(chǔ)的問(wèn)題。

2. 硬件設(shè)備的連接

圖1. Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)過(guò)程中硬件設(shè)備的連接示意圖

硬件設(shè)備的連接較為簡(jiǎn)單，其中，Linux機(jī)器通過(guò)USB to OTG和USB to TTL的轉(zhuǎn)接線相連，Linux開發(fā)板通過(guò)I2C總線和I2S總線與目標(biāo)設(shè)備相連以完成驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。USB to TTL模塊的作用就是把通信電平轉(zhuǎn)換到Linux主機(jī)和Linux開發(fā)板都能識(shí)別的電平進(jìn)行通信。

3. Linux操作系統(tǒng)中的常用工具

Gedit

Gedit 是一個(gè)基于 GUI 的文本編輯器，具有軟件開發(fā)的一些基本功能。 Gedit 可以用作純文本編輯器，也可以把它用來(lái)當(dāng)成是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境 (IDE), 它會(huì)根據(jù)不同的語(yǔ)言高亮顯現(xiàn)關(guān)鍵字和標(biāo)識(shí)符。

Picocom

Picocom 是一個(gè)常見的串口調(diào)試工具，可以在 Linux 終端窗口中運(yùn)行。利用Picocom可以通過(guò)串口通信協(xié)議與 Linux開發(fā)板進(jìn)行通信和操作。

Nano

Nano 是一個(gè)基于命令行的文本編輯器。 Nano 提供最基礎(chǔ)的文本編輯功能，用于在終端內(nèi)進(jìn)行編輯。 在 Ubuntu 中，Nano 是默認(rèn)的命令行文本編輯器。

三 Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)

1. 概述

圖2. Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)流程及主要開發(fā)文件

針對(duì)Linux驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，有3大類型的文件是必不可少的，其中一部分就是最基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)文件(The driver files)，驅(qū)動(dòng)文件中包含了驅(qū)動(dòng)本身的文件后綴為.C的源代碼和.H的頭文件，以及Kconfig文件和Makefile文件，其中，Kconfig文件的作用是當(dāng)我們編譯Linux內(nèi)核時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有的模塊被編譯進(jìn)了內(nèi)核，有的只是生成了一個(gè)個(gè)模塊。因此，我們?nèi)绾巫寖?nèi)核發(fā)現(xiàn)我們編寫的模塊呢?這就需要在Kconfig文件中進(jìn)行定義說(shuō)明。至于如何生成模塊，那么就需要利用Makefile文件告訴編譯器，怎么編譯生成這個(gè)模塊。另一個(gè)部分就是我們的設(shè)備樹文件(Devicetree files)，所以什么是設(shè)備樹文件呢?其實(shí)在沒有設(shè)備樹文件以前，我們需要將Linux開發(fā)板的信息硬編碼到內(nèi)核的.C源文件中。不同開發(fā)板的硬件配置不一樣，因此內(nèi)核中存在大量的板級(jí)配置源碼，從而會(huì)造成代碼冗余。因此針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，我們可以用設(shè)備樹的方法將板級(jí)配

置信息獨(dú)立的存放到.dts/.dtsi文件中。此時(shí)，針對(duì)不同的開發(fā)板，只需要配置相應(yīng)的.dts/.dtsi文件即可，這樣可以避免大量重復(fù)的編碼工作，但是如果更換Linux開發(fā)板那么就需要更換相對(duì)應(yīng)的設(shè)備樹文件進(jìn)行配置。最后一部分我們需要的文件就是作為參考文檔的說(shuō)明文檔(Reference documentation)，這個(gè)參考文檔中會(huì)對(duì)如何配置設(shè)備樹文件做出定義，是我們編寫設(shè)備樹文件時(shí)必須參考的說(shuō)明文檔。驅(qū)動(dòng)文件(The driver files)經(jīng)過(guò)編譯會(huì)生成名為zImage的鏡像編譯文件，設(shè)備樹文件(Devicetree files)經(jīng)過(guò)編譯會(huì)生成文件后綴為.dtb的二進(jìn)制文件，在成功的通過(guò)編譯得到這兩個(gè)文件后，我們就可以將這兩個(gè)文件燒錄到我們的Linux開發(fā)板中，這就是我們Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)的原理過(guò)程。

2. 開發(fā)驅(qū)動(dòng)源代碼、Makefile和Kconfig文件

要開始開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序源代碼、Makefile 和 Kconfig 文件，用戶必須導(dǎo)航到內(nèi)核中驅(qū)動(dòng)程序所在的目錄。 進(jìn)入該目錄后，創(chuàng)建一個(gè)適當(dāng)?shù)脑创a文件并打開現(xiàn)有的 Kconfig 和 Makefile 文件。在 Kconfig 文件中，開發(fā)人員需要為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建一個(gè)條目，這個(gè)條目向內(nèi)核描述了設(shè)備需要的驅(qū)動(dòng)程序，并專門列出了驅(qū)動(dòng)程序的依賴項(xiàng)。在 Makefile 文件中，開發(fā)人員同樣需要為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建一個(gè)條目，該條目負(fù)責(zé)告訴編譯器需要從驅(qū)動(dòng)源代碼創(chuàng)建哪些目標(biāo)文件。雖然驅(qū)動(dòng)源代碼對(duì)于所要開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序和開發(fā)人員來(lái)說(shuō)是獨(dú)一無(wú)二的，但每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都有相似的流程。首先，設(shè)備必須在一系列模塊表中注冊(cè)。例如，of_device_idtable 用于將設(shè)備實(shí)例與設(shè)備樹文件匹配，i2c_device_idtable 用于建立 I2C 通信，acpi_device_table 用于 ACPI 系統(tǒng)。所有模塊表都由最終的 module_i2c_driver 表鏈接。在建立模塊表之后，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)執(zhí)行probe() 函數(shù)，在此函數(shù)中，驅(qū)動(dòng)程序檢查設(shè)備是否可用和可配置，如果設(shè)備可用，則為驅(qū)動(dòng)程序分配資源。如果設(shè)備不可用，則函數(shù)應(yīng)返回錯(cuò)誤并釋放任何已分配的資源。在此之后，init() 函數(shù)將分別運(yùn)行并獲取和設(shè)置可以在用戶空間中配置和讀取的屬性。

3. 開發(fā)Defconfig和Devicetree文件

Defconfig 和 Devicetree 文件特定用于開發(fā)人員用來(lái)驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)程序的平臺(tái)。Defconfig 確定編譯內(nèi)核時(shí)要在內(nèi)核中安裝或啟用哪些模塊。開發(fā)者可以選擇手動(dòng)編輯設(shè)備樹或使用 pinmux 工具生成設(shè)備樹代碼。

4. 說(shuō)明文檔 / dt-bindings

說(shuō)明文檔描述了如何操作和配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 此文檔應(yīng)提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的簡(jiǎn)要說(shuō)明。 在簡(jiǎn)要說(shuō)明之后，會(huì)列出驅(qū)動(dòng)程序的屬性。其中最重要的屬性即 compatible 屬性。 所有兼容的實(shí)例都列在其中。 在 compatible 屬性之后，用戶將列出所有可配置的屬性。在每個(gè)屬性中，開發(fā)人員需提供屬性的簡(jiǎn)要說(shuō)明，指導(dǎo)用戶如何配置該屬性。

結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了如何利用Linux開發(fā)板為 Linux 內(nèi)核開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的原理和基礎(chǔ)過(guò)程，要了解更多關(guān)于Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)相關(guān)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱“Third Edition of Linux Device Drivers”或“The Linux Kernel Module Programming Guide”，以便更加深入地了解該主題。

審核編輯：湯梓紅