Linux设备驱动程序学习（0）－设备驱动介绍& Hello, world！模块

Linux设备驱动程序学习（0）
－设备驱动介绍& Hello, world！模块

设备驱动程序的作用

设备驱动程序就是这个进入Linux内核世界的大门。设备驱动程序在Linux内核中扮演着特殊的角色。它是一个独立的“黑盒子”，使某个特定硬件响应一个定义好的内部编程接口，这些接口完全隐藏了设备的工作细节。用户的操作通过一组标准化的调用执行，而这些调用独立于特定的驱动程序。将这些调用映射到作用于实际硬件的设备特有操作上，则是设备驱动程序的任务。

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设备驱动的分类

字符设备：字符(char)设备是个能够像字节流（类似文件）一样被访问的设备。字符设备驱动程序通常至少要实现open、close、read和write系统调用。

块设备：一个块设备驱动程序主要通过传输固定大小的数据来访问设备。块设备和字符设备的区别仅仅在于内核内部管理数据的方式，也就是内核及驱动程序之间的软件接口，而这些不同对用户程序是透明的。在内核中，和字符驱动程序相比，块驱动程序具有完全不同的接口。

网络接口：任何网络事务都经过一个网络接口形成，即一个能够和其他主机交换数据的设备。它可以是个硬件设备，但也可能是个纯软件设备。访问网络接口的方法仍然是给它们分配一个唯一的名字（比如eth0），但这个名字在文件系统中不存在对应的节点。内核和网络设备驱动程序间的通信，完全不同于内核和字符以及块驱动程序之间的通信，内核调用一套和数据包传输相关的函数而不是read、write等。

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驱动模块的特点

（1）驱动模块运行在内核空间，运行时不能依赖于任何标准C库等应用层的库、模块，所以在写驱动时所调用的函数只能是作为内核一部分的函数，即使用“EXPORT_SYMBOL”导出的函数。

àinsmod使用公共内核符号表来解析模块中未定义的符号。公共内核符号表中包含了所有的全局内核项（即函数和变量的地址），这是实现模块化驱动程序所必须的。

àLinux使用模块层叠技术，我们可以将模块划分为多个层，通过简化每个层可缩短开发周期。如果一个模块需要向其他模块导出符号，则使用下面的宏：

EXPORT_SYMBOL(name);
EXPORT_SYMBOL_GPL(name);

符号必须在模块文件的全局变量部分导出，因为这两个宏将被扩展为一个特殊变量的声明，而该变量必须是全局的。

（2）驱动模块和应用程序的一个重要不同是：应用程序退出时可不管资源释放或者其他的清除工作，但模块的退出函数必须仔细撤销初始化函数所作的一切，否则，在系统重新引导之前某些东西就会残留在系统中。

（3）处理器的多种工作模式（级别）其实就是为了操作系统的用户空间和内核空间设计的。在Unix类的操作系统中只用到了两个级别：最高和最低级别。

（4）要十分注意驱动程序的并发处理。

（5）内核API中具有双下划线（_ _）的函数，通常是接口的底层组件，应慎用。

（6）内核代码不能实现浮点数运算。参考资料：http://blog.chinaunix.net/u/30180/showart.php?id=1421920

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 模块结构介绍

利用Linux设备驱动程序的第一个例程：Hello World模块了解内核驱动模块的结构。

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h> 

static int hello_init(void)
{
    printk(KERN_ALERT "Hello, Tekkaman Ninja ！\n");
    return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "Goodbye, Tekkaman Ninja ！\n Love Linux !Love ARM ! Love KeKe !\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

 

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

 

1．   所有模块代码中都包含一下两个头文件：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

2．   所有模块代码都应该指定所使用的许可证：

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

 此外还有可选的其他描述性定义：

MODULE_AUTHOR("");
MODULE_DESCRIPTION("");
MODULE_VERSION("");
MODULE_ALIAS("");
MODULE_DEVICE_TABLE("");

上述MODULE_声明习惯上放在文件最后。

3．   初始化和关闭

初始化的实际定义通常如下：

static int _ _init initialization_function(void)
{
/*初始化代码*/
}

module_init(initialization_function)

清除函数的实际定义通常如下：

static int _ _exit cleanup_function(void)
{
/*清除代码*/
}

module_exit(cleanup_function)

 4．   一个简单的Makefile文件：

KERNELDIR = /home/tekkaman/working/SBC2440/linux-2.6.22.2

PWD := $(shell pwd)

INSTALLDIR = /home/tekkaman/working/rootfs/lib/modules

CROSS_COMPILE    = arm-9tdmi-linux-gnu-

CC    = $(CROSS_COMPILE)gcc

obj-m := hello.o

.PHONY: modules modules_install clean

modules:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

modules_install:

cp hello.ko $(INSTALLDIR)

clean:

rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions

obj-m := hello.o

代表了我们要构造的模块名为hell.ko，make 会在该目录下自动找到hell.c文件进行编译。如果 hello.o是由其他的源文件生成（比如file1.c和file2.c）的，则在下面加上（注意红色字体的对应关系）：

hello-objs := file1.o file2.o ......

 

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

-C $(KERNELDIR) 指定了内核源代码的位置，其中保存有内核的顶层makefile文件。

M=$(PWD) 指定了模块源代码的位置

modules目标指向obj-m变量中设定的模块。

5．   编译模块

make  modules 、 make  modules_install 。

[root@Tekkaman-Ninja Helloworld]# make modules
make -C /home/tekkaman/working/SBC2440/linux-2.6.22.2 M=/home/tekkaman/working/Linuxdriver/Helloworld modules
make[1]: Entering directory `/home/tekkaman/working/SBC2440/linux-2.6.22.2'
  CC [M]  /home/tekkaman/working/Linuxdriver/Helloworld/hello.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
  CC      /home/tekkaman/working/Linuxdriver/Helloworld/hello.mod.o
  LD [M]  /home/tekkaman/working/Linuxdriver/Helloworld/hello.ko
make[1]: Leaving directory `/home/tekkaman/working/SBC2440/linux-2.6.22.2'
[root@Tekkaman-Ninja Helloworld]# make modules_install
cp hello.ko /home/tekkaman/working/rootfs/lib/modules
[root@Tekkaman-Ninja Helloworld]# 

6．   在开发板上的操作：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ls

cs89x0.ko hello.ko p80211.ko prism2_usb.ko 

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod hello.ko 

Hello, Tekkaman Ninja ！

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#lsmod 

Module Size Used by Not tainted 

hello 1376 0 

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod hello 

Goodbye, Tekkaman Ninja ！

Love Linux !Love ARM ! Love KeKe ! 

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#lsmod 

Module Size Used by Not tainted 

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#

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Linux内核模块的初始化出错处理一般使用“goto”语句。

通常情况下很少使用“goto”，但在出错处理是（可能是唯一的情况），它却非常有用。在 大二学习C语言时，老师就建议不要使用“goto”，并说很少会用到。在这里也是我碰到的第一个建议使用“goto”的地方。“在追求效率的代码中使用goto语句仍是最好的错误恢复机制。”－－《Linux设备驱动程序（第3版）》以下是初始化出错处理的推荐代码示例：

struct something *item1;
struct somethingelse *item2;
int stuff_ok;


void my_cleanup(void)
{
    if (item1)


        release_thing(item1);
    if (item2)
        release_thing2(item2);
    if (stuff_ok)
        unregister_stuff();
    return;
}
int __init my_init(void)
{
    int err = -ENOMEM;
    item1 = allocate_thing(arguments);
    item2 = allocate_thing2(arguments2);
    if (!item2 || !item2)
        goto fail;
    err = register_stuff(item1, item2);
    if (!err)
        stuff_ok = 1;
    else
        goto fail;
    return 0; /* success */


 fail:
        my_cleanup( );
        return err;
}

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模块参数

内核允许对驱动程序指定参数，而这些参数可在装载驱动程序模块时改变。
以下是我的实验程序：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static char *whom = "Tekkaman Ninja";
static int howmany = 1;
static int TNparam[] = {1,2,3,4};
static int TNparam_nr = 4;
module_param(howmany, int, S_IRUGO);
module_param(whom, charp, S_IRUGO);
module_param_array(TNparam , int , &TNparam_nr , S_IRUGO);

static int hello_init(void)
{
    int i;
    for (i = 0; i < howmany; i++)
        printk(KERN_ALERT "(%d) Hello, %s ！\n", i, whom);
    for (i = 0; i < 8; i++)
        printk(KERN_ALERT "TNparam[%d] : %d \n", i, TNparam[i]);
    return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "Goodbye, Tekkaman Ninja ！\n Love Linux !Love ARM ! Love KeKe !\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

实验结果是 ：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#ls
cs89x0.ko hello.ko prism2_usb.ko
hello-param.ko p80211.ko
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod hello-param.ko howmany=2 whom="KeKe" TNparam=4,3,2,1
(0) Hello, KeKe ！
(1) Hello, KeKe ！
TNparam[0] : 4
TNparam[1] : 3
TNparam[2] : 2
TNparam[3] : 1
TNparam[4] : 1836543848
TNparam[5] : 7958113
TNparam[6] : 1836017783
TNparam[7] : 0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod hello-param.ko howmany=2 whom="KeKe"  TNparam=4,3,2,1,5,6,7,8
TNparam: can only take 4 arguments
hello_param: `4' invalid for parameter `TNparam'
insmod: cannot insert 'hello-param.ko': Invalid parameters (-1): Invalid argument
[Tekkaman2440@SBC2440V4]# 

我这个实验除了对参数的改变进行实验外，我的一个重要的目的是测试“ module_param_array(TNparam , int , &TNparam_nr , S_IRUGO);”中&TNparam_nr对输入参数数目的限制作用。经过我的实验，表明&TNparam_nr并没有对输入参数的数目起到限制作用。真正起到限制作用的是“static int TNparam[] = {1,2,3,4};”本身定义的大小，我将程序进行修改：
static int TNparam[] = {1,2,3,4}; 
改为 static int TNparam[] = {1,2,3,4,5,6,7,8};
其他都不变。

编译后再进行实验，其结果是：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod hello-param.ko howmany=2 whom="KeKe" TNparam=4,3,2,1,5,6,7,8
(0) Hello, KeKe ！
(1) Hello, KeKe ！
TNparam[0] : 4
TNparam[1] : 3
TNparam[2] : 2
TNparam[3] : 1
TNparam[4] : 5
TNparam[5] : 6
TNparam[6] : 7
TNparam[7] : 8
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#

（15）“#include <linux/sched.h>”  最重要的头文件之一。包含驱动程序使用的大部分内核API的定义，包括睡眠函数以及各种变量声明。

（16）“#include <linux/version.h>” 包含所构造内核版本信息的头文件。

在学习过程中找到了几篇很好的参考文档：
（1）第一章 模块（Modules） URL：http://greenlinux.blogcn.com/diary,103232026.shtml
（2）《从 2.4 到 2.6：Linux 内核可装载模块机制的改变对设备驱动的影响》
URL：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-module26/
（3）《Linux2.6内核驱动移植参考》
URL：http://blog.chinaunix.net/u1/40912/showart_377391.html

以上就是我对《Linux设备驱动程序（第3版）》的《第二章 构造和运行模块》 的学习总结。