linux设备驱动归纳总结（一）：内核的相关基础概念

linux设备驱动归纳总结（一）：内核的相关基础概念

1. 内核与 linux 设备驱动的作用与关系

内核：用于管理软硬件资源，并提供运行环境。如分配 4G 虚拟空间等。

linux 设备驱动：是连接硬件和内核之间的桥梁。

linux 系统按个人理解可按下划分：

1). 应用层：包括 POSIX 接口， LIBC ，图形库等，用于给用户提供访问内核的接口。属于用户态 ARM 运行在用户模式 (usr) 或者系统模式 (sys) 下。

2). 内核层：应用程序调用相关接口后，会通过系统调用，执行 SWI 指令切换 ARM 的工作模式到超级用户(svc) 模式下，根据用户函数的要求执行相应的操作。

3). 硬件层：硬件设备，当用户需要操作硬件时，内核会根据驱动接口操作硬件设备

图结构如下：

举一个相对比较邪恶的类比：

在深圳的酒店经常会在门缝看到一些卡片，上面说可以通过打电话送货上门提供某中服务。

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2. 内核代码树介绍

    linux-2.6.29

    ｜－ arch           : 包含和硬件体系结构相关的代码

    ｜－ block        : 硬盘调度算法，不是驱动

    ｜－ firmware     : 固件

    ｜－ Documentation : 标准官方文档

    ｜－ dirver       : linux 设备驱动

    ｜－ fs            : 内核所支持的文件体系

    ｜－ include       ：头文件。 linux/module.h linux/init.h 常用库。

    ｜－ init          ：库文件代码， C 库函数在内核中的实现。

               init/main.c ->start_kernel-> 内核执行第一条代码

    ｜－ ipc           : 进程件通信

    ｜－ mm           ：内存管理

    ｜－ kernel       : 内核核心部分，包括进程调度等

    ｜－ net          ：网络协议

    ｜－ sound        : 所有音频相关

    其中，跟设备驱动有关并且经常查阅的文件夹有：

    init

    include : linux, asm-arm

    drivers:

    arch:

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3. 内核补丁：

    补丁一般都是基于某个版本内核生成的，用于升级旧内核。

    打补丁需要注意：

       1. 对应版本的补丁只能用于对应版本的内核。

       2. 如果在已打补丁的内核再打补丁，需要先卸载原来补丁。

    打补丁的方法：

       1. 制作补丁：

       diff -Nur linux-2.6.30/ linux-2.6.30.1/ > linux-2.6.30.1.patch

       //N 为新加的文件全部修改

       //linux-2.6.30 旧版本

       //linux-2.6.30.1 新版本

       // 目标补丁

       2. 打补丁：

       cd linux-2.6.30             // ！！注意在原文件夹的目录中打补丁

       patch -p1 < ../linux-2.6.30.1.patch       //-p1 是忽略一级目录

       3. 恢复：

       cd linux-2.6.30             // ！！注意在原文件夹的目录中打补丁

       patch -R < ../linux-2.6.30.1.patch     // 撤销补丁

  

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4. 内核中的 Makefile ：

    对于内核， Makefile 分为 5 类：

    Documentation/kbuild/makefiles.txt 描述如下：

50 The Makefiles have five parts:

51

52     Makefile                总Makefile，控制内核的编译

53     .config                 内核配置文件，配置内核时生成，如make menuconfig后

54     arch/$(ARCH)/Makefile   对应体系结构的Makefile

55     scripts/Makefile.*      Makefile共用的规则,如图形配置界面。

56     kbuild Makefiles        各子目录下的Makefile，被上层的Makefile调用

    简单来说，编译内核会执行以下事情。

    1.make menuconfig

1.1 拷贝一个对应体系结构的配置文件到主目录下并改名为 .config ，这样就在 make       menuconfig生成的图形配置中已经有了一些默认的配置，减少用户的劳动量。

1.2 从内核顶层目录的 Makefile 决定编译的体系结构 (ARCH). 编译工具   (CROSS_COMPILE) 和需要进去编译的目录。

1.3 根据总 Makefile 的 ARCH 变量，进入相应体系结构的目录，读取 arch/$ (ARCH)/Makefile, 决定对应的体系结构下还有哪些目录需要编译。

1.4 根据 arch/$(ARCH)/Makefile ，一个一个地递归进入指定的目录下调用该目录下的 makefile ，并根据目录下的 Kconfig 生成配置界面并由用户决定将该文件编译成模块还是编译进内核。

1.5 配置完毕后保存退出，会更改原来的 .config 的内容。

    2.make

1.1 将生成的 .config 去掉注释，新建一份配置文件，文件名为 include/config/auto.conf 。

1.2 根据配置文件的要求，将需要编译的文件的各个子目录下生成一个 .o 或者 .a 文件，然后由总Makefile 指定的连接脚本 arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds 生成 vmlinux ，并通过压缩变成bzImage ，或者按要求在对应的子目录下编译成模块。      

    但是，具体是怎么生成配置文件的呢？

注：我使用的内核是被修改过的，可能有些地方和原内核不一样，如我内核里面 $(ARCH) 写成$(SRCARCH) 。还有在文件中的行数和原内核不一致，但这些不影响分析，搜索一下就出来了。

    1. 在总 Makefile 中，根据以下语句进入需要编译的目录

   

470 # Objects we will link into vmlinux / subdirs we need to visit

471 init-y          := init/

472 drivers-y       := drivers/ sound/ firmware/

473 net-y           := net/

474 libs-y          := lib/

475 core-y          := usr/

476 endif # KBUILD_EXTMOD

639 core-y          += kernel/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/

#另外还有一个体系相关的arch目录

529 include $(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile

 

    这样，就根据了体系结构决定了需要进去编译的目录了。

2. 在总 Makefile 中包含的目录还是不够的，内核还需要根据对应的 CPU 体系架构，决定还需要将哪些子目录将要编译进内核，在总 Makefile 中进去读取相应体系结构的 Makefile ： arch/$(SRCARCH)/Makefile。

    在总 Makefile 和体系架构下的 arch/(SRCARCH)/Makefile 中包含的子目录会根据该目录下的 Makefile的要求编译成模块还是编译进内核，当然也可以不编译。

如在 arch/arm/Makefile 下：

187 # If we have a machine-specific directory, then include it in the build.

188 core-y                          += arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/

189 core-y                          += $(machdirs) $(platdirs)

190 core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)        += arch/arm/nwfpe/

191 core-$(CONFIG_FPE_FASTFPE)      += $(FASTFPE_OBJ)

192 core-$(CONFIG_VFP)              += arch/arm/vfp/

193

194 drivers-$(CONFIG_OPROFILE)      += arch/arm/oprofile/

195

196 libs-y                          := arch/arm/lib/ $(libs-y)

 

    其中， y 表示编译成模块， m 表示编译进内核 ( 上面没有，因为默认情况下 ARM 全部编译进内核 ) ，但$(CONFIG_OPROFILE) 又是什么呢？

    这些是根据用户在 make menuconfig 中设置后，生成的值赋给了 CONFIG_OPROFILE 。这是由各子目录下的 Kconfig 提供选项功用户选择并配置。如 arch/arm/Kconfig 。

    另外有些配置会根据 arch/$(ARCH)/Kconfig 文件通过 Kconfig 的语法 source 读取各个包含的子目录Kconfig 来生成一个配置界面。每个 Makefile 目录下都有一个对应 Kconfig 文件，用于生成配置界面来给用户决定内核如何配置。

总结 Kconfig 的作用：

2.1. 在 make menuconfig 下可以配置选项 ;

2.2. 在 .config 中确定 CONFIG_XXX 的的值。

3. 只是读取以上的两个 Makefile 还是不够了，内核还会把包含的子目录一层一层的读取它里面的 Makefile和 Kconfig 。

假设我现在配置内核

1. 最简单的方法，直接修改子目录的 Makefile

如在我要取消 s3c2440 的时钟 ( 当然这是必须要开的，只是举例 ) 。

可以直接修改 arch/arm/mach-s3c2440/Makefile

12 obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440)   += s3c2440.o dsc.o

  13 obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440)   += irq.o

  14 obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440)   += clock.o

  15 obj-$(CONFIG_S3C2440_DMA)   += dma.o

 

将 obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440)   += clock.o 改为

obj-   += clock.o

也可以编译成模块：

obj-m  += clock.o

2. 当然有更方便的通过图形界面， make menuconfig ，接下来我实现一下如何将一个选项加入到图形配置界面中。

    2.1. 进入内核目录

       cd linux-2.6.29

    2.2. 在 driver 目录下模拟一个名为 test1 驱动的文件夹

    mkdir driver/test1

2.3. 在 test1 目录下随便写个 C 文件

    cd driver/test1

    vim test1.c

   

  1 void foo()

  2 {

  3         ;

  4 }

 

2.4. 在目录下编写一个简单的 Makefile   

    vim Makefile

obj-$(CONFIG_TEST1) += test1.o

   

    CONFIG_TEST1 是决定 test1 是否编译进内核或者编译成模块的。这就通过 Kconfig 由用户在make menuconfig 中选择。

2.5. 所以还要在目录下写一个 Kconfig

    vim Kconfig

   

  1 menu "test1 driver here"

  2 config TEST1

  3     bool "xiaobai test1 driver"

  4     help

  5         This is test1

  6 endmenu

 

    说白了，就是在图形配置的 driver 下多了一个配置选项，用户配置后将 CONFIG_TEST1 的值存放在.config 中， Makefile 通过读取 .config 的去注释版 autoconf 读取到 CONFIG_TEST 的值，再进行编译。但是，以上几步还不能达到目的，因为虽然在总 Makefile 中已经包含了目录 driver, 但是 driver 目录的 Makefile 中并没有包含 test 目录。因此需要在 driver/Makefile 中添加：

2.6.vim driver/Makefile

    再最后加上一句：

      

104 obj-$(CONFIG_OF)        += of/

105 obj-$(CONFIG_SSB)       += ssb/

106 obj-$(CONFIG_VIRTIO)         += virtio/

107 obj-$(CONFIG_STAGING)       += staging/

108 obj-y               += platform/

109 obj-$(CONFIG_TEST1)     += test1/        //添加这句

 

    虽然 Makefile 中已经包含了，但这样还是不行。因为当需要配置 ARM 时， ARM 结构下的 Kconfig并没有包含 test 的 Kconfig 。这样的话就不会出现在图形配置界面中，因此在 arch/arm/Kconfig 中添加语句。

2.7.vim arch/arm/Kconfig

   

1230 menu "Device Drivers"

1231

1232 source "drivers/base/Kconfig"

…..............................................

1328 source "drivers/staging/Kconfig"

1329

1330 source "drivers/test1/Kconfig"

1331

1332 endmenu

 

大功告成！

    这样， make menuconfig 界面写的 Driver Devices 下就多了一个 "test1 driver here" 的目录，里面有一个配置选项 "xiaobai test1 driver" 。

 

    Kconfig 文件的语法在 documentation/kbuild/kconfig-language.txt 文件中有详细的讲解，上面我只是简单实现了一下 , 但都是皮毛。

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5. 编译内核

    编译内核很简单，只需要配置完毕后执行 make 命令，将指定的文件编译进内核

    bzImage 或者编译成模块。

    make = make bzImage + make modules

    因此如果值编译内核，即只编译配置文件中 -y 选项，可以直接用命令

    make bzImage

    如果值编译模块，即只编译配置文件中的 -m 选项，可以之直接使用命令

    make modules

    模块可以编译当然也可以清除，使用命令

    make modules clean

    如果只想单独编译一个模块，可以使用命令

    make M=drivers/test/ modules          // 只单独编译 drivers/test 中的 .ko

    make M=drivers/test/ modules clean // 清除

    上面的是在内核目录下的操作，但当我写驱动时，我并不可能在内核目录下编

    写，但我编译时却要依赖内核中的规则和 Makefile ，所以就有了以下的方法，

    同时这也是一般的编写驱动时 Makefile 的格式。

    指定内核 Makefile 并单独编译

    make -C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` module

    make -C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` module clean

    //-C 指定内核 Makefile 的路径，可以使用相对路径。

    //-M 指定要编译的文件的路径，同样课使用相对路径。

    编译生成的模块可以指定存放的目录

    make -C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` modules_install INSTALL_MOD_PATH=/nfsroot  

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    以上都是个人理解，如内核的 Makefile 配置和编译时一个复杂的过程，我简单地描述了一下，并不保证一定正确。

    错误地方，请指正。