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  • 在Ubuntu上为Android系统编写Linux内核驱动程序

    文章转载至CSDN社区罗升阳的安卓之旅，原文地址：http://blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/6568411

     在智能手机时代，每个品牌的手机都有自己的个性特点。正是依靠这种与众不同的个性来吸引用户，营造品牌凝聚力和用户忠城度，典型的代表非iphone莫属了。据统计，截止2011年5月，AppStore的应用软件数量达381062个，位居第一，而Android Market的应用软件数量达294738，紧随AppStore后面，并有望在8月份越过AppStore。随着Android系统逐步扩大市场占有率，终端设备的多样性亟需更多的移动开发人员的参与。据业内统计，Android研发人才缺口至少30万。目前，对Android人才需求一类是偏向硬件驱动的Android人才需求，一类是偏向软件应用的Android人才需求。总的来说，对有志于从事Android硬件驱动的开发工程师来说，现在是一个大展拳脚的机会。那么，就让我们一起来看看如何为Android系统编写内核驱动程序吧。

            这里，我们不会为真实的硬件设备编写内核驱动程序。为了方便描述为Android系统编写内核驱动程序的过程，我们使用一个虚拟的硬件设备，这个设备只有一个4字节的寄存器，它可读可写。想起我们第一次学习程序语言时，都喜欢用“Hello, World”作为例子，这里，我们就把这个虚拟的设备命名为“hello”，而这个内核驱动程序也命名为hello驱动程序。其实，Android内核驱动程序和一般Linux内核驱动程序的编写方法是一样的，都是以Linux模块的形式实现的，具体可参考前面Android学习启动篇一文中提到的Linux Device Drivers一书。不过，这里我们还是从Android系统的角度来描述Android内核驱动程序的编写和编译过程。

           一. 参照前面两篇文章在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新源代码和在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新内核源代码（Linux Kernel）准备好Android内核驱动程序开发环境。

           二. 进入到kernel/common/drivers目录，新建hello目录：

           USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ cd kernel/common/drivers

           USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common/drivers$ mkdir hello

           三. 在hello目录中增加hello.h文件：

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    1. #ifndef _HELLO_ANDROID_H_  
    2. #define _HELLO_ANDROID_H_  
    3.   
    4. #include <linux/cdev.h>  
    5. #include <linux/semaphore.h>  
    6.   
    7. #define HELLO_DEVICE_NODE_NAME  "hello"  
    8. #define HELLO_DEVICE_FILE_NAME  "hello"  
    9. #define HELLO_DEVICE_PROC_NAME  "hello"  
    10. #define HELLO_DEVICE_CLASS_NAME "hello"  
    11.   
    12. struct hello_android_dev {  
    13.     int val;  
    14.     struct semaphore sem;  
    15.     struct cdev dev;  
    16. };  
    17.   
    18. #endif  

       这个头文件定义了一些字符串常量宏，在后面我们要用到。此外，还定义了一个字符设备结构体hello_android_dev，这个就是我们虚拟的硬件设备了，val成员变量就代表设备里面的寄存器，它的类型为int，sem成员变量是一个信号量，是用同步访问寄存器val的，dev成员变量是一个内嵌的字符设备，这个Linux驱动程序自定义字符设备结构体的标准方法。

       四.在hello目录中增加hello.c文件，这是驱动程序的实现部分。驱动程序的功能主要是向上层提供访问设备的寄存器的值，包括读和写。这里，提供了三种访问设备寄存器的方法，一是通过proc文件系统来访问，二是通过传统的设备文件的方法来访问，三是通过devfs文件系统来访问。下面分段描述该驱动程序的实现。

       首先是包含必要的头文件和定义三种访问设备的方法：

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    1. #include <linux/init.h>  
    2. #include <linux/module.h>  
    3. #include <linux/types.h>  
    4. #include <linux/fs.h>  
    5. #include <linux/proc_fs.h>  
    6. #include <linux/device.h>  
    7. #include <asm/uaccess.h>  
    8.   
    9. #include "hello.h"  
    10.   
    11. /*主设备和从设备号变量*/  
    12. static int hello_major = 0;  
    13. static int hello_minor = 0;  
    14.   
    15. /*设备类别和设备变量*/  
    16. static struct class* hello_class = NULL;  
    17. static struct hello_android_dev* hello_dev = NULL;  
    18.   
    19. /*传统的设备文件操作方法*/  
    20. static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp);  
    21. static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp);  
    22. static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);  
    23. static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);  
    24.   
    25. /*设备文件操作方法表*/  
    26. static struct file_operations hello_fops = {  
    27.     .owner = THIS_MODULE,  
    28.     .open = hello_open,  
    29.     .release = hello_release,  
    30.     .read = hello_read,  
    31.     .write = hello_write,   
    32. };  
    33.   
    34. /*访问设置属性方法*/  
    35. static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr,  char* buf);  
    36. static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count);  
    37.   
    38. /*定义设备属性*/  
    39. static DEVICE_ATTR(val, S_IRUGO | S_IWUSR, hello_val_show, hello_val_store);  

            定义传统的设备文件访问方法，主要是定义hello_open、hello_release、hello_read和hello_write这四个打开、释放、读和写设备文件的方法：

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    1. /*打开设备方法*/  
    2. static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp) {  
    3.     struct hello_android_dev* dev;          
    4.       
    5.     /*将自定义设备结构体保存在文件指针的私有数据域中，以便访问设备时拿来用*/  
    6.     dev = container_of(inode->i_cdev, struct hello_android_dev, dev);  
    7.     filp->private_data = dev;  
    8.       
    9.     return 0;  
    10. }  
    11.   
    12. /*设备文件释放时调用，空实现*/  
    13. static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp) {  
    14.     return 0;  
    15. }  
    16.   
    17. /*读取设备的寄存器val的值*/  
    18. static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {  
    19.     ssize_t err = 0;  
    20.     struct hello_android_dev* dev = filp->private_data;          
    21.   
    22.     /*同步访问*/  
    23.     if(down_interruptible(&(dev->sem))) {  
    24.         return -ERESTARTSYS;  
    25.     }  
    26.   
    27.     if(count < sizeof(dev->val)) {  
    28.         goto out;  
    29.     }          
    30.   
    31.     /*将寄存器val的值拷贝到用户提供的缓冲区*/  
    32.     if(copy_to_user(buf, &(dev->val), sizeof(dev->val))) {  
    33.         err = -EFAULT;  
    34.         goto out;  
    35.     }  
    36.   
    37.     err = sizeof(dev->val);  
    38.   
    39. out:  
    40.     up(&(dev->sem));  
    41.     return err;  
    42. }  
    43.   
    44. /*写设备的寄存器值val*/  
    45. static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {  
    46.     struct hello_android_dev* dev = filp->private_data;  
    47.     ssize_t err = 0;          
    48.   
    49.     /*同步访问*/  
    50.     if(down_interruptible(&(dev->sem))) {  
    51.         return -ERESTARTSYS;          
    52.     }          
    53.   
    54.     if(count != sizeof(dev->val)) {  
    55.         goto out;          
    56.     }          
    57.   
    58.     /*将用户提供的缓冲区的值写到设备寄存器去*/  
    59.     if(copy_from_user(&(dev->val), buf, count)) {  
    60.         err = -EFAULT;  
    61.         goto out;  
    62.     }  
    63.   
    64.     err = sizeof(dev->val);  
    65.   
    66. out:  
    67.     up(&(dev->sem));  
    68.     return err;  
    69. }  

            定义通过devfs文件系统访问方法，这里把设备的寄存器val看成是设备的一个属性，通过读写这个属性来对设备进行访问，主要是实现hello_val_show和hello_val_store两个方法，同时定义了两个内部使用的访问val值的方法__hello_get_val和__hello_set_val：

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    1. /*读取寄存器val的值到缓冲区buf中，内部使用*/  
    2. static ssize_t __hello_get_val(struct hello_android_dev* dev, char* buf) {  
    3.     int val = 0;          
    4.   
    5.     /*同步访问*/  
    6.     if(down_interruptible(&(dev->sem))) {                  
    7.         return -ERESTARTSYS;          
    8.     }          
    9.   
    10.     val = dev->val;          
    11.     up(&(dev->sem));          
    12.   
    13.     return snprintf(buf, PAGE_SIZE, "%d ", val);  
    14. }  
    15.   
    16. /*把缓冲区buf的值写到设备寄存器val中去，内部使用*/  
    17. static ssize_t __hello_set_val(struct hello_android_dev* dev, const char* buf, size_t count) {  
    18.     int val = 0;          
    19.   
    20.     /*将字符串转换成数字*/          
    21.     val = simple_strtol(buf, NULL, 10);          
    22.   
    23.     /*同步访问*/          
    24.     if(down_interruptible(&(dev->sem))) {                  
    25.         return -ERESTARTSYS;          
    26.     }          
    27.   
    28.     dev->val = val;          
    29.     up(&(dev->sem));  
    30.   
    31.     return count;  
    32. }  
    33.   
    34. /*读取设备属性val*/  
    35. static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) {  
    36.     struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);          
    37.   
    38.     return __hello_get_val(hdev, buf);  
    39. }  
    40.   
    41. /*写设备属性val*/  
    42. static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) {   
    43.     struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);    
    44.       
    45.     return __hello_set_val(hdev, buf, count);  
    46. }  

            定义通过proc文件系统访问方法，主要实现了hello_proc_read和hello_proc_write两个方法，同时定义了在proc文件系统创建和删除文件的方法hello_create_proc和hello_remove_proc：

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    1. /*读取设备寄存器val的值，保存在page缓冲区中*/  
    2. static ssize_t hello_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) {  
    3.     if(off > 0) {  
    4.         *eof = 1;  
    5.         return 0;  
    6.     }  
    7.   
    8.     return __hello_get_val(hello_dev, page);  
    9. }  
    10.   
    11. /*把缓冲区的值buff保存到设备寄存器val中去*/  
    12. static ssize_t hello_proc_write(struct file* filp, const char __user *buff, unsigned long len, void* data) {  
    13.     int err = 0;  
    14.     char* page = NULL;  
    15.   
    16.     if(len > PAGE_SIZE) {  
    17.         printk(KERN_ALERT"The buff is too large: %lu. ", len);  
    18.         return -EFAULT;  
    19.     }  
    20.   
    21.     page = (char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);  
    22.     if(!page) {                  
    23.         printk(KERN_ALERT"Failed to alloc page. ");  
    24.         return -ENOMEM;  
    25.     }          
    26.   
    27.     /*先把用户提供的缓冲区值拷贝到内核缓冲区中去*/  
    28.     if(copy_from_user(page, buff, len)) {  
    29.         printk(KERN_ALERT"Failed to copy buff from user. ");                  
    30.         err = -EFAULT;  
    31.         goto out;  
    32.     }  
    33.   
    34.     err = __hello_set_val(hello_dev, page, len);  
    35.   
    36. out:  
    37.     free_page((unsigned long)page);  
    38.     return err;  
    39. }  
    40.   
    41. /*创建/proc/hello文件*/  
    42. static void hello_create_proc(void) {  
    43.     struct proc_dir_entry* entry;  
    44.       
    45.     entry = create_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME, 0, NULL);  
    46.     if(entry) {  
    47.         entry->owner = THIS_MODULE;  
    48.         entry->read_proc = hello_proc_read;  
    49.         entry->write_proc = hello_proc_write;  
    50.     }  
    51. }  
    52.   
    53. /*删除/proc/hello文件*/  
    54. static void hello_remove_proc(void) {  
    55.     remove_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME, NULL);  
    56. }  

       最后，定义模块加载和卸载方法，这里只要是执行设备注册和初始化操作：

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    1. /*初始化设备*/  
    2. static int  __hello_setup_dev(struct hello_android_dev* dev) {  
    3.     int err;  
    4.     dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);  
    5.   
    6.     memset(dev, 0, sizeof(struct hello_android_dev));  
    7.   
    8.     cdev_init(&(dev->dev), &hello_fops);  
    9.     dev->dev.owner = THIS_MODULE;  
    10.     dev->dev.ops = &hello_fops;          
    11.   
    12.     /*注册字符设备*/  
    13.     err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1);  
    14.     if(err) {  
    15.         return err;  
    16.     }          
    17.   
    18.     /*初始化信号量和寄存器val的值*/  
    19.     init_MUTEX(&(dev->sem));  
    20.     dev->val = 0;  
    21.   
    22.     return 0;  
    23. }  
    24.   
    25. /*模块加载方法*/  
    26. static int __init hello_init(void){   
    27.     int err = -1;  
    28.     dev_t dev = 0;  
    29.     struct device* temp = NULL;  
    30.   
    31.     printk(KERN_ALERT"Initializing hello device. ");          
    32.   
    33.     /*动态分配主设备和从设备号*/  
    34.     err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, HELLO_DEVICE_NODE_NAME);  
    35.     if(err < 0) {  
    36.         printk(KERN_ALERT"Failed to alloc char dev region. ");  
    37.         goto fail;  
    38.     }  
    39.   
    40.     hello_major = MAJOR(dev);  
    41.     hello_minor = MINOR(dev);          
    42.   
    43.     /*分配helo设备结构体变量*/  
    44.     hello_dev = kmalloc(sizeof(struct hello_android_dev), GFP_KERNEL);  
    45.     if(!hello_dev) {  
    46.         err = -ENOMEM;  
    47.         printk(KERN_ALERT"Failed to alloc hello_dev. ");  
    48.         goto unregister;  
    49.     }          
    50.   
    51.     /*初始化设备*/  
    52.     err = __hello_setup_dev(hello_dev);  
    53.     if(err) {  
    54.         printk(KERN_ALERT"Failed to setup dev: %d. ", err);  
    55.         goto cleanup;  
    56.     }          
    57.   
    58.     /*在/sys/class/目录下创建设备类别目录hello*/  
    59.     hello_class = class_create(THIS_MODULE, HELLO_DEVICE_CLASS_NAME);  
    60.     if(IS_ERR(hello_class)) {  
    61.         err = PTR_ERR(hello_class);  
    62.         printk(KERN_ALERT"Failed to create hello class. ");  
    63.         goto destroy_cdev;  
    64.     }          
    65.   
    66.     /*在/dev/目录和/sys/class/hello目录下分别创建设备文件hello*/  
    67.     temp = device_create(hello_class, NULL, dev, "%s", HELLO_DEVICE_FILE_NAME);  
    68.     if(IS_ERR(temp)) {  
    69.         err = PTR_ERR(temp);  
    70.         printk(KERN_ALERT"Failed to create hello device.");  
    71.         goto destroy_class;  
    72.     }          
    73.   
    74.     /*在/sys/class/hello/hello目录下创建属性文件val*/  
    75.     err = device_create_file(temp, &dev_attr_val);  
    76.     if(err < 0) {  
    77.         printk(KERN_ALERT"Failed to create attribute val.");                  
    78.         goto destroy_device;  
    79.     }  
    80.   
    81.     dev_set_drvdata(temp, hello_dev);          
    82.   
    83.     /*创建/proc/hello文件*/  
    84.     hello_create_proc();  
    85.   
    86.     printk(KERN_ALERT"Succedded to initialize hello device. ");  
    87.     return 0;  
    88.   
    89. destroy_device:  
    90.     device_destroy(hello_class, dev);  
    91.   
    92. destroy_class:  
    93.     class_destroy(hello_class);  
    94.   
    95. destroy_cdev:  
    96.     cdev_del(&(hello_dev->dev));  
    97.   
    98. cleanup:  
    99.     kfree(hello_dev);  
    100.   
    101. unregister:  
    102.     unregister_chrdev_region(MKDEV(hello_major, hello_minor), 1);  
    103.   
    104. fail:  
    105.     return err;  
    106. }  
    107.   
    108. /*模块卸载方法*/  
    109. static void __exit hello_exit(void) {  
    110.     dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);  
    111.   
    112.     printk(KERN_ALERT"Destroy hello device. ");          
    113.   
    114.     /*删除/proc/hello文件*/  
    115.     hello_remove_proc();          
    116.   
    117.     /*销毁设备类别和设备*/  
    118.     if(hello_class) {  
    119.         device_destroy(hello_class, MKDEV(hello_major, hello_minor));  
    120.         class_destroy(hello_class);  
    121.     }          
    122.   
    123.     /*删除字符设备和释放设备内存*/  
    124.     if(hello_dev) {  
    125.         cdev_del(&(hello_dev->dev));  
    126.         kfree(hello_dev);  
    127.     }          
    128.   
    129.     /*释放设备号*/  
    130.     unregister_chrdev_region(devno, 1);  
    131. }  
    132.   
    133. MODULE_LICENSE("GPL");  
    134. MODULE_DESCRIPTION("First Android Driver");  
    135.   
    136. module_init(hello_init);  
    137. module_exit(hello_exit);  

        五.在hello目录中新增Kconfig和Makefile两个文件，其中Kconfig是在编译前执行配置命令make menuconfig时用到的，而Makefile是执行编译命令make是用到的：

           Kconfig文件的内容

           config HELLO
               tristate "First Android Driver"
               default n
               help
               This is the first android driver.
     
          Makefile文件的内容
          obj-$(CONFIG_HELLO) += hello.o
          在Kconfig文件中，tristate表示编译选项HELLO支持在编译内核时，hello模块支持以模块、内建和不编译三种编译方法，默认是不编译，因此，在编译内核前，我们还需要执行make menuconfig命令来配置编译选项，使得hello可以以模块或者内建的方法进行编译。
          在Makefile文件中，根据选项HELLO的值，执行不同的编译方法。
          六. 修改arch/arm/Kconfig和drivers/kconfig两个文件，在menu "Device Drivers"和endmenu之间添加一行：
          source "drivers/hello/Kconfig"
            这样，执行make menuconfig时，就可以配置hello模块的编译选项了。. 
            七. 修改drivers/Makefile文件，添加一行：
            obj-$(CONFIG_HELLO) += hello/
            八. 配置编译选项：
            USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common$ make menuconfig
            找到"Device Drivers" => "First Android Drivers"选项，设置为y。
            注意，如果内核不支持动态加载模块，这里不能选择m，虽然我们在Kconfig文件中配置了HELLO选项为tristate。要支持动态加载模块选项，必须要在配置菜单中选择Enable loadable module support选项；在支持动态卸载模块选项，必须要在Enable loadable module support菜单项中，选择Module unloading选项。
            九. 编译：
            USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common$ make
            编译成功后，就可以在hello目录下看到hello.o文件了，这时候编译出来的zImage已经包含了hello驱动。
            十. 参照在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新内核源代码（Linux Kernel）一文所示，运行新编译的内核文件，验证hello驱动程序是否已经正常安装：
            USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ emulator -kernel ./kernel/common/arch/arm/boot/zImage &
            USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ adb shell
            进入到dev目录，可以看到hello设备文件：
            root@android:/ # cd dev
            root@android:/dev # ls
            进入到proc目录，可以看到hello文件：
            root@android:/ # cd proc
            root@android:/proc # ls
            访问hello文件的值：
            root@android:/proc # cat hello
            0
            root@android:/proc # echo '5' > hello
            root@android:/proc # cat hello
            5
            进入到sys/class目录，可以看到hello目录：
            root@android:/ # cd sys/class
            root@android:/sys/class # ls
            进入到hello目录，可以看到hello目录：
            root@android:/sys/class # cd hello
            root@android:/sys/class/hello # ls
            进入到下一层hello目录，可以看到val文件：
            root@android:/sys/class/hello # cd hello
            root@android:/sys/class/hello/hello # ls
            访问属性文件val的值：
            root@android:/sys/class/hello/hello # cat val
            5
            root@android:/sys/class/hello/hello # echo '0'  > val
            root@android:/sys/class/hello/hello # cat val
            0
            至此，我们的hello内核驱动程序就完成了，并且验证一切正常。这里我们采用的是系统提供的方法和驱动程序进行交互，也就是通过proc文件系统和devfs文件系统的方法，下一篇文章中，我们将通过自己编译的C语言程序来访问/dev/hello文件来和hello驱动程序交互，敬请期待。
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