Linux应用程序如何调用驱动程序

一般的驱动程序是不允许应用程序调用的，只有当驱动程序留出这种供外界访问的接口才行，这种接口一般包括read，write，open，ioctl等接口，如果驱动中预留出了这些接口，就可以在应用程序中调用，比如fd=open(设备，参数)或者fd=ioctl(设备，参数)，这样就会调用到这个设备驱动中的open或者ioctl函数。所以一般如果想再应用程序中调试某个驱动程序，常见的方法就是自己建立一个驱动模块，这个模块中预留出对外接口，比如ioctl。然后在你新建的这个驱动模块中完成ioctl函数，如下：

int device_ioctl(fd,argv) {

/* your function*/

}

static struct file_operations device = {

.ioctl = device_ioctl //预留外部接口

}

应用程序如下：

ioctl（device，argv）；

上面这句就可以完成你的模块中ioctl中的功能。

驱动程序开发的一个重大难点就是不易调试。本文目的就是介绍驱动开发中常用的几种直接和间接的调试手段，它们是：

1、利用printk

2、查看OOP消息

3、利用strace

4、利用内核内置的hacking选项

5、利用ioctl方法

6、利用/proc 文件系统

7、使用kgdb

前两种如下：

一、利用printk

这是驱动开发中最朴实无华，同时也是最常用和有效的手段。scull驱动的main.c第338行如下，就是使用printk进行调试的例子，这样的例子相信大家在阅读驱动源码时随处可见。

338 // printk(KERN_ALERT "wakeup by signal in process %d\n", current->pid)

printk的功能与我们经常在应用程序中使用的printf是一样的，不同之处在于printk可以在打印字符串前面加上内核定义的宏，例如上面例子中的KERN_ALERT（注意：宏与字符串之间没有逗号）。

#define KERN_EMERG "<0>"

#define KERN_ALERT "<1>"

#define KERN_CRIT "<2>"

#define KERN_ERR "<3>"

#define KERN_WARNING "<4>"

#define KERN_NOTICE "<5>"

#define KERN_INFO "<6>"

#define KERN_DEBUG "<7>"

#define DEFAULT_CONSOLE_LOGLEVEL 7

这个宏是用来定义需要打印的字符串的级别。值越小，级别越高。内核中有个参数用来控制是否将printk打印的字符串输出到控制台（屏幕或者/sys/log/syslog日志文件）

# cat /proc/sys/kernel/printk

6 4 1 7

第一个6表示级别高于（小于）6的消息才会被输出到控制台，第二个4表示如果调用printk时没有指定消息级别（宏）则消息的级别为4，第三个1表示接受的最高（最小）级别是1，第四个7表示系统启动时第一个6原来的初值是7。

因此，如果你发现在控制台上看不到你程序中某些printk的输出，请使用echo 8 >/proc/sys/kernel/printk来解决。

在复杂驱动的开发过程中，为了调试会在源码中加入成百上千的printk语句。而当调试完毕形成最终产品的时候必然会将这些printk语句删除想想驱动的使用者而不是开发者吧。记住：己所不欲，勿施于人），这个工作量是不小的。最要命的是，如果我们将调试用的printk语句删除后，用户又报告驱动有bug，所以我们又不得不手工将这些上千条的printk语句再重新加上。oh，my god，杀了我吧。所以，我们需要一种能方便地打开和关闭调试信息的手段。哪里能找到这种手段呢？哈哈，远在天边，近在眼前。看看scull驱动或者leds驱动的源代码吧！

#define LEDS_DEBUG

#undef PDEBUG

#ifdef LEDS_DEBUG

#ifdef __KERNEL__

#define PDEBUG(fmt, args…) printk( KERN_EMERG "leds: " fmt, ## args)

#else

#define PDEBUG(fmt, args…) fprintf(stderr, fmt, ## args)

#endif

#else

#define PDEBUG(fmt, args…)

#endif

#undef PDEBUGG

#define PDEBUGG(fmt, args…)

这样一来，在开发驱动的过程中，如果想打印调试消息，我们就可以用PDEBUG("address of i_cdev is %p\n", inode->i_cdev)，如果不想看到该调试消息，就只需要简单的将PDEBUG改为PDEBUGG即可。而当我们调试完毕形成最终产品时，只需要简单地将第1行注释掉即可。

上边那一段代码中的__KERNEL__是内核中定义的宏，当我们编译内核（包括模块）时，它会被定义。当然如果你不明白代码中的…和##是什么意思的话，就请认真查阅一下gcc关于预处理部分的资料吧！如果你实在太懒不愿意去查阅的话，那就充当VC工程师把上面的代码copy到你的代码中去吧。

二、查看OOP消息

OOP意为惊讶。当你的驱动有问题，内核不惊讶才怪：嘿！小子，你干吗乱来！好吧，就让我们来看看内核是如何惊讶的。

根据faulty.c（单击下载）编译出faulty.ko，并 insmod faulty.ko。执行echo yang >/dev/faulty，结果内核就惊讶了。内核为什么会惊讶呢？因为faulty驱动的write函数执行了*(int *)0 = 0，向内存0地址写入，这是内核绝对不会容许的。

52 ssize_t faulty_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,

53 loff_t *pos)

54 {

55

56 *(int *)0 = 0

57 return 0

58 }

1 Unable to handle kernel NULL pointer dereference at virtual address 00000000

2 pgd = c3894000

3 [00000000] *pgd=33830031, *pte=00000000, *ppte=00000000

4 Internal error: Oops: 817 [#1] PREEMPT

5 Modules linked in: faulty scull

6 CPU: 0Not tainted (2.6.22.6 #4)

7 PC is at faulty_write+0×10/0×18 [faulty]

8 LR is at vfs_write+0xc4/0×148

9 pc : []lr : []psr: a0000013

10 sp : c3871f44 ip : c3871f54 fp : c3871f50

11 r10: 4021765c r9 : c3870000 r8 : 00000000

12 r7 : 00000004 r6 : c3871f78 r5 : 40016000 r4 : c38e5160

13 r3 : c3871f78 r2 : 00000004 r1 : 40016000 r0 : 00000000

14 Flags: NzCv IRQs on FIQs on Mode SVC_32 Segment user

15 Control: c000717f Table: 33894000 DAC: 00000015

16 Process sh (pid: 745, stack limit = 0xc3870258)

17 Stack: (0xc3871f44 to 0xc3872000)

18 1f40: c3871f74 c3871f54 c0088eb8 bf00608c 00000004 c38e5180 c38e5160

19 1f60: c3871f78 00000000 c3871fa4 c3871f78 c0088ffc c0088e04 00000000 00000000

20 1f80: 00000000 00000004 40016000 40215730 00000004 c002c0e4 00000000 c3871fa8

21 1fa0: c002bf40 c0088fc0 00000004 40016000 00000001 40016000 00000004 00000000

22 1fc0: 00000004 40016000 40215730 00000004 00000001 00000000 4021765c 00000000

23 1fe0: 00000000 bea60964 0000266c 401adb40 60000010 00000001 00000000 00000000

24 Backtrace:

25 [] (faulty_write+0×0/0×18 [faulty]) from [] (vfs_write+0xc4/0×148)

26 [] (vfs_write+0×0/0×148) from [] (sys_write+0x4c/0×74)

27 r7:00000000 r6:c3871f78 r5:c38e5160 r4:c38e5180

28 [] (sys_write+0×0/0×74) from [] (ret_fast_syscall+0×0/0x2c)

29 r8:c002c0e4 r7:00000004 r6:40215730 r5:40016000 r4:00000004

30 Code: e1a0c00d e92dd800 e24cb004 e3a00000 (e5800000)

1行惊讶的原因，也就是报告出错的原因；

2-4行是OOP信息序号；

5行是出错时内核已加载模块；

6行是发生错误的CPU序号；

7-15行是发生错误的位置，以及当时CPU各个寄存器的值，这最有利于我们找出问题所在地；

16行是当前进程的名字及进程ID

17-23行是出错时，栈内的内容

24-29行是栈回溯信息，可看出直到出错时的函数递进调用关系（确保CONFIG_FRAME_POINTER被定义）

30行是出错指令及其附近指令的机器码，出错指令本身在小括号中

反汇编faulty.ko（ arm-linux-objdump -D faulty.ko >faulty.dis ；cat faulty.dis）可以看到如下的语句如下：

0000007c :

7c: e1a0c00dmov ip, sp

80: e92dd800stmdb sp!, {fp, ip, lr, pc}

84: e24cb004sub fp, ip, #4 0×4

88: e3a00000mov r0, #0 0×0

8c: e5800000str r0, [r0]

90: e89da800ldmia sp, {fp, sp, pc}

定位出错位置以及获取相关信息的过程：

9 pc : []lr : []psr: a0000013

25 [] (faulty_write+0×0/0×18 [faulty]) from [] (vfs_write+0xc4/0×148)

26 [] (vfs_write+0×0/0×148) from [] (sys_write+0x4c/0×74)

出错代码是faulty_write函数中的第5条指令（(0xbf00608c-0xbf00607c)/4+1=5），该函数的首地址是0xbf00607c，该函数总共6条指令（0×18），该函数是被0xc0088eb8的前一条指令调用的（即：函数返回地址是0xc0088eb8。这一点可以从出错时lr的值正好等于0xc0088eb8得到印证）。调用该函数的指令是vfs_write的第49条（0xc4/4=49）指令。

达到出错处的函数调用流程是：write(用户空间的系统调用)–>sys_write–>vfs_write–>faulty_write

OOP消息不仅让我定位了出错的地方，更让我惊喜的是，它让我知道了一些秘密：1、gcc中fp到底有何用处？2、为什么gcc编译任何函数的时候，总是要把3条看上去傻傻的指令放在整个函数的最开始？3、内核和gdb是如何知道函数调用栈顺序，并使用函数的名字而不是地址？ 4、我如何才能知道各个函数入栈的内容？哈哈，我渐渐喜欢上了让内核惊讶，那就再看一次内核惊讶吧。

执行 cat /dev/faulty，内核又再一次惊讶！

1 Unable to handle kernel NULL pointer dereference at virtual address 0000000b

2 pgd = c3a88000

3 [0000000b] *pgd=33a79031, *pte=00000000, *ppte=00000000

4 Internal error: Oops: 13 [#2] PREEMPT

5 Modules linked in: faulty

6 CPU: 0Not tainted (2.6.22.6 #4)

7 PC is at vfs_read+0xe0/0×140

8 LR is at 0xffffffff

9 pc : []lr : []psr: 20000013

10 sp : c38d9f54 ip : 0000001c fp : ffffffff

11 r10: 00000001 r9 : c38d8000 r8 : 00000000

12 r7 : 00000004 r6 : ffffffff r5 : ffffffff r4 : ffffffff

13 r3 : ffffffff r2 : 00000000 r1 : c38d9f38 r0 : 00000004

14 Flags: nzCv IRQs on FIQs on Mode SVC_32 Segment user

15 Control: c000717f Table: 33a88000 DAC: 00000015

16 Process cat (pid: 767, stack limit = 0xc38d8258)

17 Stack: (0xc38d9f54 to 0xc38da000)

18 9f40: 00002000 c3c105a0 c3c10580

19 9f60: c38d9f78 00000000 c38d9fa4 c38d9f78 c0088f88 c0088bb4 00000000 00000000

20 9f80: 00000000 00002000 bef07c80 00000003 00000003 c002c0e4 00000000 c38d9fa8

21 9fa0: c002bf40 c0088f4c 00002000 bef07c80 00000003 bef07c80 00002000 00000000

22 9fc0: 00002000 bef07c80 00000003 00000000 00000000 00000001 00000001 00000003

23 9fe0: 00000000 bef07c6c 0000266c 401adab0 60000010 00000003 00000000 00000000

24 Backtrace: invalid frame pointer 0xffffffff

25 Code: ebffff86 e3500000 e1a07000 da000015 (e594500c)

26 Segmentation fault

不过这次惊讶却令人大为不解。OOP竟然说出错的地方在vfs_read（要知道它可是大拿们千锤百炼的内核代码），这怎么可能？哈哈，万能的内核也不能追踪函数调用栈了，这是为什么？其实问题出在faulty_read的43行，它导致入栈的r4、r5、r6、fp全部变为了0xffffffff，ip、lr的值未变，这样一来faulty_read函数能够成功返回到它的调用者——vfs_read。但是可怜的vfs_read（忠实的APTCS规则遵守者）并不知道它的r4、r5、r6已经被万恶的faulty_read改变，这样下去vfs_read命运就可想而知了——必死无疑！虽然内核很有能力，但缺少了正确的fp的帮助，它也无法追踪函数调用栈。

36 ssize_t faulty_read(struct file *filp, char __user *buf,

37 size_t count, loff_t *pos)

38 {

39 int ret

40 char stack_buf[4]

41

42

43 memset(stack_buf, 0xff, 20)

44 if (count >4)

45 count = 4

46 ret = copy_to_user(buf, stack_buf, count)

47 if (!ret)

48 return count

49 return ret

50 }

00000000 :

0: e1a0c00dmov ip, sp

4: e92dd870stmdb sp!, {r4, r5, r6, fp, ip, lr, pc}

8: e24cb004sub fp, ip, #4 0×4

c: e24dd004sub sp, sp, #4 0×4，这里为stack_buf[]在栈上分配1个字的空间，局部变量ret使用寄存器存储，因此就不在栈上分配空间了

10: e24b501csub r5, fp, #28 0x1c

14: e1a04001mov r4, r1

18: e1a06002mov r6, r2

1c: e3a010ffmov r1, #2550xff

20: e3a02014mov r2, #20 0×14

24: e1a00005mov r0, r5

28: ebfffffebl 28 //这里在调用memset

78: e89da878ldmia sp, {r3, r4, r5, r6, fp, sp, pc}

这次OOP，深刻地认识到：

内核能力超强，但它不是，也不可能是万能的。所以即使你能力再强，也要和你的team member搞好关系，否则在关键时候你会倒霉的；

出错的是faulty_read，vfs_read却做了替罪羊。所以人不要被表面现象所迷惑，要深入看本质；

内核本来超级健壮，可是你写的驱动是内核的组成部分，由于它出错，结果整体崩盘。所以当你加入一个团队的时候一定要告诫自己，虽然你的角色也许并不重要，但你的疏忽大意将足以令整个非常牛X的团队崩盘。反过来说，当你是team leader的时候，在选团队成员的时候一定要慎重、慎重、再慎重，即使他只是一个小角色。

千万别惹堆栈，它一旦出问题，定位错误将会是一件非常困难的事情。所以，千万别惹你的领导，否则将死得很难看。

驱动程序开发步骤

编写一个驱动程序的大致流程如下：

1）查看原理图，数据手册，了解设备的 *** 作方法；

2）在内核中找到相近的驱动程序，作为模板来开发，有时要从零开始；

3）实现驱动程序的初始化，比如详内核注册这个驱动程序，

4）设计所要实现的 *** 作：比如open、close、read、writ等函数；

5）实现中断服务，并不是每个设备驱动都必须的；

6）编译驱动到内核，或作为模块动态加载

7）测试驱动

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