Linux设备驱动开发的示例分析

编译和运行

驱动编译要用到kernel的Makefile文件 — — 也就是源码树的编译系统。因此，源码需要被配置和编译，以ubuntu自带的源码为例：

编译外部模块(.ko)的编译命令是：

make -CM=mak**e−Cpathtokernelsrc>M=PWD

也就是进入到kernel目录，利用kbuild系统来编译驱动文件。obj-m 告诉编译系统需要编译成一个module(.ko)，foo.o表明需要源文件是foo.c或者foo.S，如果驱动模块包含多个文件(如: foo_main.c, foo_common.c)，写法如下：

kbuild将编译$(foo-y)列出的所有文件，合并产生 foo.ko

在编译期间，模块的Makefile会被kbuild多次读取，因此建议使用$(KERNELRELEASE)来区分Makefile的使用阶段，优化后的Makefile如下：

第一次运行make的时侯，$(KERNELRELEASE) 为空，因此，Makefile的 ‘else’ 内容首先被读取，然后，执行 *‘make -C …..’*， 执行过程中，会回读Makefile文件，这次， ‘ifneq’ 条件满足，两次走不同的路径，编译系统配置不同的变量参数。

如果，不使用 $(KERNELRELEASE) 区分的话，每次编译系统都会设置所有的变量和规则，可能会与kernel的Makefile变量或者规则冲突，因此，建议在(KERNELRELEASE)为空的情况下，配置driver专用的变量和规则，除了使用(KERNELRELEASE)为空的情况下，配置drive**r专用的变量和规则，除了使用(KERNELRELEASE)外，kernel还提供了一些其它的做法，
更多的kernel 编译系统信息，请参考kernel源码下的 “Documentation/kbuild/”

驱动模块运行相关命令

• insmod foo.ko —— 加载driver 到kernel去运行。
• rmmod foo —— 从kernel 移除driver.
• lsmod —— 查看当前kernel 运行的模块。

字符设备

字符设备驱动实际上就是实现一个文件接口，让设备文件可以像一个普通文件那样来访问，这样应用程序就可以使用libc库的’文件IO API(open/write/read/close 系列函数)‘ 来访问驱动程序，与驱动交换数据，因此，它的核心就是实现文件系统的接口 －－ 文件操作。

程序入口

宏内核与微内核的一个最大区别就是驱动程序的运行空间。微内核系统，驱动程序作为一个应用程序，运行在用户空间，它的入口就是应用程序的‘main’函数。 Linux作为一个宏内核系统，它的驱动程序与内核是一体的，运行在内核空间，它的入口是 ‘module_init’，‘module_exit’则是对应的退出函数，它们一定是成对出现的。

foo_init 执行了最基本的字符设备操作：使用 cdev_add 添加一个 ‘cdev’到字符设备列表(其实是一个map结构)， 这样就把foo这个字符设备托付给kernel进行管理了，当应用程序操作相应的设备文件时，kernel能调度到foo驱动程序。

foo_exit 一定要使用 cdev_del 从列表里面删除设备，不然，当kernel从列表里面查找到 cdev时，返回的将是“过时”的指针，使用它来 callback相应操作时，就会出现空指针异常，导致kernel会挂掉。切记！foo_init 和 foo_exit 一定要成对使用，执行相反的操作。

bug 实例：

1. foo_exit 不执行 cdev_del 函数。
2. insmod foo.ko －－ OK。
3. 应用程序对设备文件读写 －－ OK。
4. rmmod foo －－ OK。
5. insmod foo.ko －－ OK。
6. 应用程序对设备文件读写 －－ core dump。

‘rmmod foo’时，会调用 foo_exit，但是，程序员忘了执行 cdev_del 函数，导致 foo.cdev 的指针没有被删除而变成了一个空指针，它仍然在字符设备列表里面。 当第二次插入foo.ko后， 读写该设备时，Kernel找的是旧的 foo.cdev 空指针，用它调用相应的文件操作时，就发生了空指针的 core dump 错误。

文件操作

setup_dev： 注册当前的设备的文件操作函数，当应用程序操作设备文件时，调用到对应的驱动函数。与用户空间交换数据，copy_from/to_user，这两个函数返回0表示函数执行成功。

• copy_from_user: 把用户写入的数据copy驱动数据buf保存起来。
• copy_to_user： copy驱动数据buf到 用户读取数据的buf。

应用程序与字符驱动的交互流程

1. 创建设备文件 －－ sudo mknod /dev/foodev c 500 0
2. 修改设备文件权限 －－ sudo chmod 766 /dev/foodev
3. 应用程序使用open函数打开设备文件。
4. kernel根据文件类型(字符设备文件)找到字符设备列表，并根据设备号(Major, Minor)，找到对应的设备驱动模块。
5. 调用设备驱动的open函数 foo_open 。
6. 应用程序调用 read/write函数来读写设备文件。
7. 驱动调用 foo_read/write并使用copy_from/to_user来交换数据。

常见问题

Q: 读写设备文件时，write或者 read函数返回0，不能读写数据 ?
A: 这类设备文件读写失败问题，很有可能是权限问题，确认下文件读写权限，其次是数据是否符合驱动的要求。

块设备

块设备指的是存储设备，块设备驱动就是存储驱动如：HD，SSD。Linux 用 Block 子系统对它们进行管理，把应用层的IO读写请求，转变为Request ，传给相应的会设备驱动。驱动流程比较简单：

register_blkdev → alloc_disk → 处理request

Q: 文件系统与Block子系统的关系？
A: Block子系统主要是提供最底层的数据读写，也就是raw io，文件系统使用它进行ＩＯ操作。

注册

注册块设备(主设备号)

注册设备(MAJOR,MINOR)

添加磁盘

这个磁盘会出现在 /dev 目录下面， 本例是 /dev/frd0,用户可以对设备文件进行格式化，分区等磁盘相关的操作。如： ‘mkfs.ext2 /dev/frd0’， ‘mount /dev/frd0 /mnt’。

初始化请求队列

处理设备请求

kernel 提供了一些宏来帮助遍历请求列表。对请求的处理策略，就是Block驱动最核心最精华的部分，开发者得根据设备的物理特性来提高访问效率，解决并发拥堵等问题。
*fr_queue_rq()* －－ ‘**请求队列’**处理函数，在初始化请求队列时设置，Loop处理每个请求：

*fr_transfer()* －－ 物理设备读写数据,根据请求的上下文内容(context)，进行底层数据传输，这里就是最底层的IO通讯了，驱动根据物理设备的接口协议来进行数据的读写。

块设备驱动测试

执行上面命令后，frd_data_r 和 frd_data_w的内容应该是一样的。