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从open到设备,从上层到底层,经历了什么?(理解透这个工作过程,面试)
拓展 >> chmod 命令用于更改文件/文件夹的属性(读,写,执行)
一、驱动初步认知
为什么要学会写驱动?
树莓派开发简单是因为有厂家提供的wiringPi库,实现超声波,实现继电器操作,做灯的点亮…都非常简单。
但未来做开发时,不一定都是用树莓派,则没有wiringPi库可以用。但只要能运行Linux,linux的标准C库一定有。
学会根据标准C库编写驱动,只要能拿到linux内核源码,拿到芯片手册,电路图…就能做开发。
用树莓派学习的目的不仅是为是体验其强大便捷的wiringPi库,更要通过树莓派学会linux内核开发,驱动编写等,做一个属于自己的库。
设备号的两个作用?
linux一切皆为文件,其设备管理同样是和文件系统紧密结合。各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下,称为设备文件。应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件,完成对设备的操作,就像操作普通的数据文件一样。
在目录/dev
下都能看到鼠标,键盘,屏幕,串口等设备文件,硬件要有相对应的驱动,那么open怎样区分这些硬件呢?
依靠文件名与设备号。
在/dev
下ls -l
可以看到
索引驱动在驱动链表中的位置
设备号又分为:主设备号用于区别不同种类
的设备;次设备号区别同种类型的多个设备
。
内核中存在一个驱动链表:管理所有设备的驱动。
驱动插入到链表的位置(顺序)由设备号检索。
驱动开发无非以下两件事:
- 1、添加驱动:编写完驱动程序,加载到内核
添加驱动做的几件事:
1、 设备名;2、设备号;3、设备驱动函数(通过操作寄存器去操作IO口)
- 2、调用驱动:用户空间open后,调用驱动程序
从open到设备,从上层到底层,经历了什么?(理解透这个工作过程,面试)
- 用户层调用open产生一个软中断(中断号是0x80),进入内核空间调用sys_call。
- sys_call真正调用的是sys_open,去内核的驱动链表根据主设备号与次设备号找到相关驱动函数。
- 调用驱动函数里面的open,去设置IO口引脚电平。
流程如下图绿色箭头所示:
二、基于内核驱动框架编写驱动代码流程
目的是用简单的例子展示从用户空间到内核空间的整套流程。
1.编写上层应用代码
在上层访问一个设备跟访问普通的文件没什么区别。试写一个简单的open和write去操作设备"pin4"。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
int fd;
fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("open failed\n");
perror("reson");
}else{
printf("open success\n");
}
fd = write(fd,'1',1);//写一个字符'1',写一个字节
return 0;
}
根据上面提到的驱动认知,有个大致的概念,以open为例子:
上层open
→sys_call
→sys_open
→内核驱动链表
节点→执行节点里的open
当然,没有装载驱动的话这个程序执行一定会报错。只有在内核装载了驱动并且在/dev
下生成了“pin4”这样一个设备才能运行。
接下来介绍最简单的字符设备驱动框架。
2.根据上层需求修改内核驱动框架代码
所谓框架,就是定死的东西,基本的语句必须要有,少一个都不行。
虽然有这么多的代码,但核心运行的就两个printk。
#include <linux/fs.h> //file_operations声明
#include <linux/module.h> //module_init module_exit声明
#include <linux/init.h> //__init __exit 宏定义声明
#include <linux/device.h> //class devise声明
#include <linux/uaccess.h> //copy_from_user 的头文件
#include <linux/types.h> //设备号 dev_t 类型声明
#include <asm/io.h> //ioremap iounmap的头文件
static struct class *pin4_class;
static struct device *pin4_class_dev;
static dev_t devno; //设备号
static int major =231; //主设备号
static int minor =0; //次设备号
static char *module_name="pin4"; //模块名
//pin4_read函数
//static int pin4_read(struct file *file,char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
//{
// printk("pin4_write\n");
// return 0;
//}
//pin4_open函数
static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
printk("pin4_open\n"); //内核的打印函数,和printf类似
return 0;
}
//pin4_write函数
static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
printk("pin4_write\n");
return 0;
}
static struct file_operations pin4_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = pin4_open,
.write = pin4_write,
};
int __init pin4_drv_init(void) //驱动的真正入口
{
int ret;
devno = MKDEV(major,minor); //创建设备号
ret = register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops); //注册驱动 告诉内核,把这个驱动加入到内核驱动的链表中
pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo"); //由代码在/dev下自动生成设备
pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name); //创建设备文件
return 0;
}
void __exit pin4_drv_exit(void)
{
device_destroy(pin4_class,devno);
class_destroy(pin4_class);
unregister_chrdev(major, module_name); //卸载驱动
}
module_init(pin4_drv_init); //入口:内核加载驱动的时候,这个宏会被调用,而真正的驱动入口是它调用的函数
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");
不方便在注释中标注的,在下面详细说明:
代码补充解读
static的作用
内核代码数量庞大,为了防止与其他的文件有变量命名冲突,static限定变量的作用域仅仅只在这个文件。
结构体成员变量的单独赋值
static struct file_operations pin4_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = pin4_open,
.write = pin4_write,
};
这是内核代码中常见的对结构体的操作方式,单独给指定结构体元素赋值,其他不管。
注意:在keil的编译工具环境中不允许这样写,linux可以。
结构体file_operations
在SourceInsight中查看结构体file_operations
,可以发现很多的函数指针,这些函数名跟系统上层文件的操作差不多。(read,write,llseek)(在课程视频9:36)
如果上层想要实现read,就复制过来,按照格式改一改。
上层对应底层,上层想要用read,底层就要有read的支持。
手动生成设备
框架中有自动生成设备的代码
那么手动生成设备是怎么样的呢?(一般不这样干,麻烦,仅作为演示)
- 进入
/dev
目录,查看帮助可知道创建规则
sudo mknod 设备名称 设备类型 主设备号 次设备号
- 使用如下命令创建名称为ajie,主设备号为8,次设备号为1的字符设备。
sudo mknod ajie c 8 1
用ls ajie -l
可以看到已经创建成功
3.在Ubuntu上交叉编译(很重要)
驱动框架的模块编译并发送至树莓派
在ubuntu中,进入字符设备驱动目录linux-rpi-4.14.y/drivers/char
拷贝上文分析过的驱动框架代码,创建名为pin4driver.c
的文件.
①修改Makefile
进行配置,使得工程编译时可以编译这个文件
vi Makefile
当然不一定要放在/char下。但注意:放在哪个文件夹下,就修改那个文件夹的
Makefile
即可。
Makefile:
模仿这些文件的编译方式,以编译成模块的形式(还有一个方式为编译进内核)编译pin4driver.c
添加
obj-m += pin4driver.o
如图:
②进行模块编译
之前编译内核的时候用的是这个命令:
ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs
现在只需进行模块编译,不需要生成zImage
,dtbs
文件;
- 回到源码目录
/linux-rpi-4.14.y
再执行下面指令
ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 modules
进入/char目录发现已经生成一下文件则为成功
③把.ko
文件发送至树莓派
scp drivers/char/pin4driver.ko pi@192.168.0.109:/home/pi
上层代码的编译并发送至树莓派
拷贝上文分析的上层代码到ubuntu中,此处我命名为pin4test.c
使用交叉编译工具进行编译
arm-linux-gnueabihf-gcc pin4test.c -o pin4test
发送至树莓派
scp pin4test pi@192.168.0.109:/home/pi
4.树莓派装载驱动并运行
①树莓派装载驱动
sudo insmod pin4driver.ko
- 查看是否已经成功添加驱动
可以去设备下查看
ls /dev/pin4 -l
看到驱动添加成功
或者lsmod
查看内核挂载的驱动
如果需要卸载驱动,就
sudo rmmod pin4drive
②运行上层代码
./pin4test
发现没有对设备pin4的访问权限
crw是超级用户所拥有的权限,而框中两类用户则无读写的权限(下面有详细说明)
③增加访问权限再运行
解决方法1:加超级用户
sudo ./pin4test
解决方法2:增加“所有用户都可以访问的权限”(建议)
sudo chmod 666 /dev/pin4
拓展 >> chmod
命令用于更改文件/文件夹的属性(读,写,执行)
Linux/Unix 的档案调用权限分为三级 : 档案拥有者(user)、群组(group)、其他(other)。利用 chmod 可以藉以控制档案如何被他人所调用
r 表示可读取,w 表示可写入,x 表示可执行
r=4,w=2,x=1
若要rwx属性则4+2+1=7;
若要rw-属性则4+2=6;
若要r-x属性则4+1=7。
-rw------- (600) -- 只有属主有读写权限。
-rw-r--r-- (644) -- 只有属主有读写权限;而属组用户和其他用户只有读权限。
-rwx------ (700) -- 只有属主有读、写、执行权限。
-rwxr-xr-x (755) -- 属主有读、写、执行权限;而属组用户和其他用户只有读、执行权限。
-rwx--x--x (711) -- 属主有读、写、执行权限;而属组用户和其他用户只有执行权限。
-rw-rw-rw- (666) -- 所有用户都有文件读、写权限。这种做法不可取。
-rwxrwxrwx (777) -- 所有用户都有读、写、执行权限。更不可取的做法。
EG:
chmod 744
仅允许用户(所有者)执行所有操作,而组和其他用户只允许读。
是否执行成功:demsg
指令查看内核打印信息
用dmesg命令显示内核缓冲区信息,并通过管道筛选与pin4相关信息
dmesg | grep pin4
可以看到这两个打印信息,说明内核的printk已经被成功调用,我们已经成功完成了上层对内核的调用 !
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