如何编写一个简单的linux内核模块和设备驱动程序

如何编写Linux设备驱动程序

回想学习Linux *** 作系统已经有近一年的时间了，前前后后，零零碎碎的一路学习过来，也该试着写的东西了。也算是给自己能留下一点记忆和回忆吧！由于完全是自学的，以下内容若有不当之处，还请大家多指教。

Linux是Unix *** 作系统的一种变种，在Linux下编写驱动程序的原理和思想完全类似于其他的Unix系统，但它dos或window环境下的驱动程序有很大的区别。在Linux环境下设计驱动程序，思想简洁， *** 作方便，功能也很强大，但是支持函数少，只能依赖kernel中的函数，有些常用的 *** 作要自己来编写，而且调试也不方便。

以下的一些文字主要来源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan's Guide to Inline Assembly，The Linux a-z，还有清华bbs上的有关device driver的一些资料。

一、Linux device driver 的概念

系统调用是 *** 作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是 *** 作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象 *** 作普通文件一样对硬件设备进行 *** 作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能:

1、对设备初始化和释放。

2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据。

3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据。

4、检测和处理设备出现的错误。

在Linux *** 作系统下有三类主要的设备文件类型，一是字符设备，二是块设备，三是网络设备。字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O *** 作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待。

已经提到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备另外每个文件都有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分他们。设备文件的的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序。

最后必须提到的是，在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。也就是说，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。

读/写时，它首先察看缓冲区的内容，如果缓冲区的数据未被处理，则先处理其中的内容。

如何编写Linux *** 作系统下的设备驱动程序

二、实例剖析

我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。

#define __NO_VERSION__

#include <linux/modulesh>

#include <linux/versionh>

char kernel_version [] = UTS_RELEASE;

这一段定义了一些版本信息，虽然用处不是很大，但也必不可少。Johnsonm说所有的驱动程序的开头都要包含<linux/configh>，一般来讲最好使用。

由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的 *** 作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢这需要了解一个非常关键的数据结构：

struct file_operations

{

int (seek) (struct inode ，struct file ， off_t ，int);

int (read) (struct inode ，struct file ， char ，int);

int (write) (struct inode ，struct file ， off_t ，int);

int (readdir) (struct inode ，struct file ， struct dirent ，int);

int (select) (struct inode ，struct file ， int ，select_table );

int (ioctl) (struct inode ，struct file ， unsined int ，unsigned long);

int (mmap) (struct inode ，struct file ， struct vm_area_struct );

int (open) (struct inode ，struct file );

int (release) (struct inode ，struct file );

int (fsync) (struct inode ，struct file );

int (fasync) (struct inode ，struct file ，int);

int (check_media_change) (struct inode ，struct file );

int (revalidate) (dev_t dev);

}

这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write *** 作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。

下面就开始写子程序。

#include <linux/typesh>

#include <linux/fsh>

#include <linux/mmh>

#include<linux/configh>

#include <linux/errnoh>

#include <asm/segmenth>

unsigned int test_major = 0;

static int read_test(struct inode node，struct file file，char buf，int count)

{

int left;

if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )

return -EFAULT;

for(left = count ; left > 0 ; left--)

{

__put_user(1，buf，1);

buf++;

}

return count;

}

这个函数是为read调用准备的。当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1。buf 是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时，系统进入核心态。所以不能使用buf这个地址，必须用__put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数。请参考robert著的《Linux内核设计与实现》（第二版）。然而，在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。

static int write_tibet(struct inode inode，struct file file，const char buf，int count)

{

return count;

}

static int open_tibet(struct inode inode，struct file file )

{

MOD_INC_USE_COUNT;

return 0;

}

static void release_tibet(struct inode inode，struct file file )

{

MOD_DEC_USE_COUNT;

}

这几个函数都是空 *** 作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。

struct file_operations test_fops = {

NULL，

read_test，

write_test，

NULL， / test_readdir /

NULL，

NULL， / test_ioctl /

NULL， / test_mmap /

open_test，

release_test，

NULL， / test_fsync /

NULL， / test_fasync /

/ nothing more， fill with NULLs /

};

这样，设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules)，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。

int init_module(void)

{

int result;

result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops);

if (result < 0) {

printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n");

return result;

}

if (test_major == 0) test_major = result; / dynamic /

return 0;

}

在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行 *** 作的函数的指针。

如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。

void cleanup_module(void)

{

unregister_chrdev(test_major，"test");

}

在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。

一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫testc吧。

下面编译 :

$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c testc

得到文件testo就是一个设备驱动程序。

如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后

ld -r file1o file2o -o modulename。

驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。

$ insmod –f testo

如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。要卸载的话，运行 :

$ rmmod test

下一步要创建设备文件。

mknod /dev/test c major minor

c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。

用shell命令

$ cat /proc/devices

就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

minor是从设备号，设置成0就可以了。

我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。

#include <stdioh>

#include <sys/typesh>

#include <sys/stath>

#include <fcntlh>

main()

{

int testdev;

int i;

char buf[10];

testdev = open("/dev/test"，O_RDWR);

if ( testdev == -1 )

{

printf("Cann't open file \n");

exit(0);

}

read(testdev，buf，10);

for (i = 0; i < 10;i++)

printf("%d\n"，buf[i]);

close(testdev);

}

编译运行，看看是不是打印出全1 ？

以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，dma，I/O port等问题。这些才是真正的难点。请看下节，实际情况的处理。

如何编写Linux *** 作系统下的设备驱动程序

　三、设备驱动程序中的一些具体问题

1。 I/O Port。

和硬件打交道离不开I/O Port，老的isa设备经常是占用实际的I/O端口，在linux下， *** 作系统没有对I/O口屏蔽，也就是说，任何驱动程序都可对任意的I/O口 *** 作，这样就很容易引起混乱。每个驱动程序应该自己避免误用端口。

有两个重要的kernel函数可以保证驱动程序做到这一点。

1）check_region(int io_port， int off_set)

这个函数察看系统的I/O表，看是否有别的驱动程序占用某一段I/O口。

参数1：I/O端口的基地址，

参数2：I/O端口占用的范围。

返回值：0 没有占用， 非0，已经被占用。

2）request_region(int io_port， int off_set，char devname)

如果这段I/O端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。在使用之前，必须向系统登记，以防止被其他程序占用。登记后，在/proc/ioports文件中可以看到你登记的I/O口。

参数1：io端口的基地址。

参数2：io端口占用的范围。

参数3：使用这段io地址的设备名。

在对I/O口登记后，就可以放心地用inb()， outb()之类的函来访问了。

在一些pci设备中，I/O端口被映射到一段内存中去，要访问这些端口就相当于访问一段内存。经常性的，我们要获得一块内存的物理地址。

2。内存 *** 作

在设备驱动程序中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree，或free_pages。 请注意，kmalloc等函数返回的是物理地址！

注意，kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用了。

内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的ram(如显存)一般占用F0000000以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得重新映射以后的地址。

另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作dma传送。这块程序需要一直驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟128k的内存。

这可以通过牺牲一些系统内存的方法来解决。

3。中断处理

同处理I/O端口一样，要使用一个中断，必须先向系统登记。

int request_irq(unsigned int irq ，void(handle)(int，void ，struct pt_regs )，

unsigned int long flags， const char device);

irq: 是要申请的中断。

handle：中断处理函数指针。

flags：SA_INTERRUPT 请求一个快速中断，0 正常中断。

device：设备名。

如果登记成功，返回0，这时在/proc/interrupts文件中可以看你请求的中断。

4。一些常见的问题。

对硬件 *** 作，有时时序很重要（关于时序的具体问题就要参考具体的设备芯片手册啦！比如网卡芯片RTL8139）。但是如果用C语言写一些低级的硬件 *** 作的话，gcc往往会对你的程序进行优化，这样时序会发生错误。如果用汇编写呢，gcc同样会对汇编代码进行优化，除非用volatile关键字修饰。最保险的办法是禁止优化。这当然只能对一部分你自己编写的代码。如果对所有的代码都不优化，你会发现驱动程序根本无法装载。这是因为在编译驱动程序时要用到gcc的一些扩展特性，而这些扩展特性必须在加了优化选项之后才能体现出来。

写在后面：学习Linux确实不是一件容易的事情，因为要付出很多精力，也必须具备很好的C语言基础；但是，学习Linux也是一件非常有趣的事情，它里面包含了许多高手的智慧和“幽默”，这些都需要自己亲自动手才能体会到，O(∩_∩)O~哈哈！

问题 此处我要实现的是将芯片的ID用于网卡MAC地址，网卡驱动是enc28j60_init。 但是，读取芯片ID的函数，在as352x_afe_init模块中，所以要先初始化as352x_afe_init。 此处，内核编译完之后，在生成的systemmap中可以看到， enc28j60_init在as352x_afe_init之前，所以，无法去读芯片ID。 所以我们的目标是，将as352x_afe_init驱动初始化放到enc28j60_init之前， 然后才能读取芯片ID，才能用于网卡初始化的时候的，将芯片ID设置成网卡MAC地址。

解决过程

1

最简单想到的，是内核里面的

archarmmach-as352xcorec

中，去改devices设备列表中的顺序。

enc28j60_init对应的是ssp_device，因为网卡初始化用到的是SPI驱动去进行和通讯的。

as352x_afe_init对应的是afe_device。

原先是：

把afe改到最前面：

但是，实际结果是，没有任何影响，连systempmap生成的，那么模块初始化顺序，都没有任何变化。 也就说明，想要实现驱动加载顺序的改变，改corec里面的设备列表顺序是没有用的。

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2

在网上看到很多帖子，其说明的也很清楚了，就是：

Linux内核为不同驱动的加载顺序对应不同的优先级，定义了一些宏：

includelinuxinith

把自己的驱动的函数名用这些宏去定义之后， 就会对应不同的加载时候的优先级。

其中，我们写驱动中所用到的module_init对应的是 #define module_init(x) __initcall(x); 而 #define __initcall(fn) device_initcall(fn) 所以，驱动对应的加载的优先级为6

在上面的不同的优先级中， 数字越小，优先级越高。 同一等级的优先级的驱动，加载顺序是链接过程决定的，结果是不确定的，我们无法去手动设置谁先谁后。 不同等级的驱动加载的顺序是先优先级高，后优先级低，这是可以确定的。

所以，像我们之前在驱动中用：

所以，大家都是同一个优先级去初始化，

最后这些驱动加载的顺序，可以查看在根目录下，

生成的systemmap：

此处就是由于 c0019920 t __initcall_i2c_dev_init6 c0019924 t __initcall_as352x_afe_i2c_init6 c0019928 t __initcall_as352x_afe_init6 在c00198e4 t __initcall_enc28j60_init6之前，所以我这里才要去改。。。 知道原理，能想到的，就是要么把as352x_afe_init改到enc28j60_init之前一级，即优先级为5。即在驱动中，调用：fs_initcall(as352x_afe_init)；要么把enc28j60_init改到as352x_afe_init之后，即优先级为7即在驱动中，调用：late_initcall(enc28j60_init)；但是，此处麻烦就麻烦在，如果把as352x_afe_init改到enc28j60_init之前一级，发现后面网卡初始化enc28j60_init中，虽然读取芯片ID对了，但是后面的IP-auto configure 有问题。所以放弃。 如果把enc28j60_init改到as352x_afe_init之后，但是，从systemmap中看到的是，优先级为7的驱动中，明显有几个驱动，也是和网卡初始化相关的，所以，这样改，尝试后，还是失败了。 所以，没法简单的通过调整现有的驱动的顺序，去实现顺序的调整。最后，被逼无奈，想到了一个可以实现我们需求的办法，那就是，单独定义一个优先级，把afe相关的初始化都放到那里面去，这样，就可以保证，其他没什么相关的冲突了。最后证实，这样是可以实现目的的。

具体添加一个新的优先级的步骤如下： 1定义新的优先级 includelinuxinith中：

2用对应新的宏，定义我们的驱动：

做到这里，本以为可以了，但是编译后，在systemmap中，发现之前优先级为7的那几个函数，被放到systemmap最后了，而不是预想的，在优先级7之后，在

之前。最后，发现时没有把对应的链接文件中的宏加进去：

3includeasm-genericvmlinuxldsh

最后，再重新编译，就可以实现我们要的，和afe相关的驱动初始化，都在网卡enc28j60_init之前了。也就可以在网卡里面读芯片ID了。当然，对应编译生成的systemmap文件中，对应的通过module_init定义的驱动，优先级也都变成7了。而late_initcall对应优先级8了。 注：当前开发板arm的板子，所以，对应的load 脚本在：

linux-26284archarmkernelvmlinuxlds 看起来，应该是这个文件： linux-26284archarmkernelvmlinuxldsS 生成上面那个脚本的。vmlinuxlds中的这一行：

就是将之前那些对应的init类型的函数，展开，放到这对应的位置。

3 不过，最后的最后，竟然发现网卡还是工作不正常，结果第二天，无意间发现是网卡地址设置导致网卡工作不正常的。 也就是说，实际是直接将afe设置到原先的优先级5就可以的，而不用这么麻烦去改系统的东西的

不过，至少这也是一种办法，虽然不是那么的好

1首先要了解为什么要学习内核？下图已表明，如果要从事驱动开发或系统研究，就要学习内核。

2内核的知识就像下面的绳结一样，一环扣一环，我们要解开它们，就必须要先找到线头也就是内核中的函数接口。初学阶段，我们一般不深入的研究内核代码，会使用内核的接口函数就不错了。

3下面提供了如何学习这些内核函数的方法，就像解绳子一样

4学习内核的四步法则，思维导图的设计尤为重要，这也是能否学习好内核的关键

5语言基础也需要扎实，所以需要把C语言巩固巩固

驱动中都有fileopation结构体，里面就是你read

write

open

close接口函数。你读写这个你创建的驱动文件就会去调用的。

你现在编译进内核，也是一个道理啊。没有自动创建，就自己挂载创建，你看内核里面驱动里都有

devfs_mk_dir

devfs_register

和你的mknod一样它自动会创建节点的。当然这是24的方法，26不支持DEVFS了

一、 驱动程序编译进内核的步骤

在 linux 内核中增加程序需要完成以下三项工作：

1 将编写的源代码复制到 Linux 内核源代码的相应目录；

2 在目录的 Kconfig 文件中增加新源代码对应项目的编译配置选项；

3 在目录的 Makefile 文件中增加对新源代码的编译条目。

bq27501驱动编译到内核中具体步骤如下：

1 先将驱动代码bq27501文件夹复制到 ti-davinci/drivers/ 目录下。

确定bq27501驱动模块应在内核源代码树中处于何处。

设备驱动程序存放在内核源码树根目录 drivers/ 的子目录下，在其内部，设备驱动文件进一步按照类别，类型等有序地组织起来。

a 字符设备存在于 drivers/char/ 目录下

b 块设备存放在 drivers/block/ 目录下

c USB 设备则存放在 drivers/usb/ 目录下。

注意：

(1) 此处的文件组织规则并非绝对不变，例如： USB 设备也属于字符设备，也可以存放在 drivers/usb/ 目录下。

(2) 在 drivers/char/ 目录下，在该目录下同时存在大量的 C 源代码文件和许多其他目录。所有对于仅仅只有一两个源文件的设备驱动程序，可以直接存放在该目录下，但如果驱动程序包含许多源文件和其他辅助文件，那么可以创建一个新子目录。

(3) bq27501的驱动是属于字符设备驱动类别，虽然驱动相关的文件只有两个，但是为了方面查看，将相关文件放在了bq27501的文件夹中。在drivers/char/目录下增加新的设备过程比较简单，但是在drivers/下直接添加新的设备稍微复杂点。所以下面首先给出在drivers/下添加bq27501驱动的过程，然后再简单说明在drivers/char/目录下添加的过程。

2 在/bq27501下面新建一个Makefile文件。向里面添加代码：

obj-$(CONFIG_BQ27501)+=bq27501o

此时，构建系统运行就将会进入 bq27501/ 目录下，并且将bq27501c 编译为 bq27501o

3 在/bq27501下面新建Kconfig文件。添加代码：

menu "bq27501 driver"

config BQ27501

tristate"BQ27501"

default y

---help---

Say 'Y' here, it will be compiled into thekernel; If you choose 'M', it will be compiled into a module named asbq27501ko

endmenu

注意：help中的文字不能加回车符，否则make menuconfig编译的时候会报错。

4 修改/drivers目录下的Kconfig文件，在endmenu之前添加一条语句‘source drivers/bq27501/Kconfig’ 对于驱动程序，Kconfig 通常和源代码处于同一目录。 若建立了一个新的目录，而且也希望 Kconfig 文件存在于该目录中的话，那么就必须在一个已存在的 Kconfig 文件中将它引入，需要用上面的语句将其挂接在 drivers 目录中的Kconfig 中。

5 修改/drivers目下Makefile文件，添加‘obj-$(CONFIG_BQ27501) +=bq27501/’。这行编译指令告诉模块构建系统在编译模块时需要进入 bq27501/ 子目录中。此时的驱动程序的编译取决于一个特殊配置 CONFIG_BQ27501 配置选项。

6 修改arch/arm目录下的Kconfig文件，在menu "Device Drivers……endmenu"直接添加语句

source "drivers/bq27501/Kconfig" 楼主 学习linux可以看看>

ChromeDriver236。

WebDriver并没有提供对360浏览器的支持，360浏览器也没有提供相应的驱动。360浏览器使用的是Chrome内核，内核版本为6303239132，可以使用支持相应版本Chrome浏览器的ChromeDriver来驱动360浏览器。

Chrome最新版本为75×，360使用的chrome内核已经很陈旧了，找到相应ChromeDriver。经过多次的实验，发现ChromeDriver236支持此版本的浏览器。

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