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  • 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。
     

    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。

    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。
    • insmod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。
    • Linux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

    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]#

    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;
    }

    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。
     
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