树莓派基于Linux内核驱动开发详解

Posted 2021-05-21 行稳方能走远

目录

• 一、驱动认知
• • 1.1为什么要学习写驱动
  • 1.2文件名与设备号
  • 1.3open函数打通上层到底层硬件的详细过程
• 二、基于框架编写驱动代码
• • 2.1编写上层应用代码
  • 2.2修改内核驱动框架代码
  • 2.3部分代码解读
  • • 2.3.1static的作用
    • 2.3.2结构体成员变量赋值方式
    • 2.3.3结构体file_operations
    • 2.3.4手动生成设备
• 三、驱动代码编译和测试
• • 3.1驱动框架的模块编译并发送至树莓派
  • • ①修改Makefile
    • ②进行模块编译
    • ③把.ko文件发送至树莓派
  • 3.2上层代码的编译(在ubuntu上交叉编译)并发送至树莓派
  • 3.3树莓派装载驱动并运行
  • • ①树莓派加载内核驱动
    • ②运行上层代码(无权限)
    • ③增加访问权限再运行
    • ④检查是否执行成功：demsg指令查看内核打印信息
• 四、三种地址介绍
• • 4.1总线地址
  • 4.2物理地址
  • 4.3虚拟地址
  • 4.4MMU内存管理单元
• 五、IO口驱动编程实战
• • 5.1芯片手册导读
  • • 5.1.1General Purpose I/O (GPIO)板块
    • 5.1.2Register View
    • 5.1.3配置引脚功能为输入/输出的寄存器
    • 5.1.4配置引脚输出0/1的寄存器
    • 5.1.5引脚清除0/1状态的寄存器
  • 5.2寄存器地址配置
  • 5.3寄存器功能配置
  • 5.4解除虚拟地址映射
  • 5.5完整代码
  • 5.6交叉编译并发送至树莓派
  • 5.7树莓派装载驱动
  • 5.8运行上层应用文件
  • • 5.8.1驱动运行成功
    • 5.8.2驱动运行失败：学会调试
• 六、其他
• • 简单了解DMA
  • md5sum检查两个文件是否完全一样

一、驱动认知

1.1为什么要学习写驱动

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。

1.2文件名与设备号

linux一切皆为文件，其设备管理同样是和文件系统紧密结合。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

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。 驱动开发无非以下两件事：

• 编写完驱动程序，加载到内核
• 用户空间open后，调用驱动程序（驱动程序就是操作寄存器来驱动IO口，单片机51,32就是这种操作）

驱动插入到链表的位置（顺序）由设备号检索。

1.3open函数打通上层到底层硬件的详细过程

• 用户空间调用open（比如open("/dev/pin4",O_RDWR)）产生一个软中断（中断号是0x80），进入内核空间调用sys_call，这个sys_call在内核里面是汇编的，用Source Insight搜索不到。
• sys_calll真正调用的是sys_open（属于VFS层虚拟文件系统，因为磁盘的分区和引脚分区不一样，为了实现上层统一化）,根据你的设备名比如pin4去到内核的驱动链表，根据其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，这个open就是对寄存器的操作，从而设置IO口引脚电平。这件事对于单片机来说特变容易，就两句话搞定：

sbit pin4 = P1^4;
pin4=1;

（对应下图的粉色笔迹）

podWd1YW5saW4xMjE=,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)

二、基于框架编写驱动代码

2.1编写上层应用代码

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。

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。

2.2修改内核驱动框架代码

所谓框架，就是在往驱动链表里面加驱动的时候要符合内核规则，它是定死的东西，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_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  因为上层需要open和write这两个函数 
//            如果上层需要调用read等其他函数，可用SourceInsight去内核源码搜索，照着格式修改即可使用 在file_operations结构体里面
static ssize_t pin4_write(struct file *file1,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 
    
   //********************注册驱动 加载到内核驱动链表***********
    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
                       //主设备号231 模块名pin4 上面的结构体
    pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");  //由代码在/dev下自动生成设备  也可以手动生成设备
    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);       //删除设备  /dev底下的 上面也是创建了设备和类
    class_destroy(pin4_class);              //删除类
    unregister_chrdev(major, module_name);  //卸载驱动 就是删除链表节点的驱动

}

module_init(pin4_drv_init);  //入口:内核加载驱动的时候，这个宏(module_init它不是个函数)会被调用，而真正的驱动入口是它里面调用的函数
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

2.3部分代码解读

2.3.1static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。内核源码里面运用了大量的static，因为内核源码众多，一万五千多个C文件，很容易造成代码命名的冲突。

2.3.2结构体成员变量赋值方式

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，单独给指定结构体某些元素赋值。

注意：在keil的编译工具环境中不允许这样写，linux可以。

2.3.3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（指向函数的指针，函数内进行一些程序的执行），这些函数名跟系统上层对文件的操作差不多。（read,write,llseek）（在课程视频9:36）

如果上层想要实现read,就复制过来，按照格式改一改就能使用。

上层对应底层，上层想要用read，底层就要有read的支持。

2.3.4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zhu，主设备号为8，次设备号为1的字符设备。

sudo mknod zhu c 8 1

 

 
1

用 ls -l可以看到已经创建成功

三、驱动代码编译和测试

3.1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（IO口属于字符设备驱动）。进入源码目录下的原因是，写驱动必须要链接到源码，必须要有源码。

拷贝上文分析过的驱动框架代码，拿到这个文件夹下 ，并创建成名字为pin4drive.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

 

 
1

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pin4drive.c

在Makefile里面添加：

obj-m                           += pin4drive.o

 

 
1

-m就是模块的形式

如图：

②进行模块编译

之前编译内核镜像的时候用的是这个命令：

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 modules

注：如果说编译中途提示出错，照着错误提示去修改.c文件即可，和上层编译类似。

编译完成生成的一些文件如下：

③把.ko文件发送至树莓派

scp pin4drive.ko pi@192.168.101.19:/home/pi

之前犯的一个小错误是树莓派和ubuntu的ip地址一样，导致连接不上，修改树莓派的ip地址即可

3.2上层代码的编译(在ubuntu上交叉编译)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pin4drivertest.c

使用交叉编译工具进行编译

arm-linux-gnueabihf-gcc pin4drivertest.c -o pin4test

发送至树莓派

scp pin4test pi@192.168.101.19:/home/pi

3.3树莓派装载驱动并运行

①树莓派加载内核驱动

sudo insmod pin4drive.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，主设备号231，次设备号0，和内核里面的代码对应上。

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(无权限)

./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

 

 
1

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

 

 
1

运行成功：

拓展 >> chmod 命令用于更改文件/文件夹的属性（读，写，执行）

permission to:  user(u)   group(g)   other(o)     
                /¯¯¯\\      /¯¯¯\\      /¯¯¯\\
octal:            6          6          6
binary:         1 1 0      1 1 0      1 1 0
what to permit: r w x      r w x      r w x

what to permit - r: read, w: write, x: execute

permission to  - user: the owner that create the file/folder
                 group: the users from group that owner is member
                 other: all other users

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。

④检查是否执行成功：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

 

 
1

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 !

四、三种地址介绍

写驱动是为了操作IO口，实现自己的wiringpi库，跟硬件打交道。

首先要理解以下3个地址的概念：

4.1总线地址

通俗来说：cpu能够访问的内存范围

现象：电脑装了32位的系统，明明内存条有8G，却只能识别3.8G左右，这是因为32位仅能表示/访问2^32^=4,294,967,296bit=4,194,304Kb=4096Mb=4G左右。只有装了64位的，才能够识别到8G。32位、64位是计算机CPU一次处理数据能力的大小。

树莓派装载32位操作系统，寻址自然是4G。

树莓派的内存

cat /proc/meminfo

 

 
1

大概是927M

4.2物理地址

硬件实际地址或绝对地址，就是硬盘上的排列地址

4.3虚拟地址

又叫逻辑地址（基于算法的地址，软件层面的地址，是假地址）便称为虚拟地址

虚拟地址的作用：

以树莓派为例，总线可以访问4G，物理地址只有1G，但需要运行的程序大于1G，如果把程序全部都加载到内存是不可取的。

物理地址数据的运行真正是拿虚拟地址来操作的，虚拟地址可以比1G大，总线地址能看到4个G，就可以把1个G的物理地址映射成4个G的虚拟地址。当物理地址不能满足程序运行空间需求时，如果没有虚拟地址，程序就不能正常运行。单片机51和STM32如果程序过大，是禁止你烧写的，而在Linux系统环境下是可以的。

树莓派3b的cpu型号是BCM2835，它是ARM-cotexA53架构

cat /proc/cpuinfo

 

 
1

4.4MMU内存管理单元

• 地址框图

可以看到总线地址为FFFFFF，即为4G；

• 内核的页表映射

物理地址的1M通过映射成为4M的虚拟地址（我们写的所有的代码都是在操控虚拟地址，都是假的），这中间有个设计的算法叫页表。

这个表决定了这个4M被映射到虚拟内存的哪一个段，通过MMU进行管理。单片机和ARM处理器的区别就是ARM有MMU（内存管理单元）和CACHE（高速缓存），如下图所示：

如果想要更多地了解Linux对内存的管理，推荐书《unix设计与实现》，类似内核设计文档，讲的是内核设计的思路，讲代码讲的不多。

五、IO口驱动编程实战

之前驱动框架的代码仅仅用来检测、走一遍整个驱动的架构。那么在这一个小节，将着手实现pin4引脚输出高 / 低电平。

驱动开发两大利器：芯片手册和电路图（电路图主要用来寻找寄存器，树莓派的芯片手册清楚地给出了各个寄存器，所以电路图很难找到）。

5.1芯片手册导读

5.1.1General Purpose I/O (GPIO)板块

查看芯片手册的目的性很强：做哪一块的开发，就只看那一块，现在要开发的是GPIO，熟悉控制IO口的寄存器最为重要。

如果看完这部分的文档，你对于以下几个问题（后面有解析）有清晰的答案，说明你真正读懂了这一部分的开发。

①操作逻辑：简言之就是怎么进行配置相关寄存器，这些配置步骤和思想其实都很类似。
②需要重点掌握的寄存器有哪些？例如输入 / 输出控制寄存器，输出 0 / 1控制寄存器，清除状态寄存器

5.1.2Register View

在新的平台也要学会捕捉类似的关键信息：选择输入还是输出，0/1,怎么清除，上升沿下降沿等。（配置过32 / 51寄存器的应该对这些很熟悉）

从下图中可以大概了解到所有的IO口被分成了0~5组。

有意思的是，下图最第一列的地址Address是树莓派总线地址，一般芯片手册给的都是真正的物理地址。第二列是寄存器的名字，第三列寄存器功能描述。

一共有41个寄存器，每个寄存器都是32位。

描述部分也很重要，大多涉及使用方法

5.1.3配置引脚功能为输入/输出的寄存器

这20~29的IO口属于分组2

IO编号要看好

5.1.4配置引脚输出0/1的寄存器

5.1.5引脚清除0/1状态的寄存器

整理关键内容

通过文档阅读，可以整理出关键的信息：

有3个最基本的要清楚：
①选择IO是 输入 / 输出控制寄存器：GPFSEL
②输出0 / 1寄存器：GPSET
③清除寄存器:GPCLR

操作逻辑:
以GPFSEL0寄存器举例，引脚pin4对应的分组就是第0组（51单片机引脚也是分成第0组、第1组、第2组、第3组）。只要在这个分组下，把14-12位设置为001，就能配置pin4引脚为输出。

总之还是要自己多看多翻阅，这里仅为简单的导读。

5.2寄存器地址配置

①在原来框架的基础上，添加寄存器的定义

volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int* GPSET0  = NULL;
volatile unsigned int* GPCLR0  = NULL;

要想写出上面的代码，要掌握以下几点：

弄清楚寄存器的分组

其中寄存器的0表示的是分组，目标操作的IO是pin4,由文档可知，属于寄存器分组0。

volatile的使用

加volatile作用是 ： 1、防止编译器优化（你给的这个地址编译器可能认为不好，可能会省略，也可能会进行更改）这些寄存器变量；2、要求每次直接从寄存器里读值。由于随着程序的执行，会改变寄存器当中的数据，而读取的都是内存里面的备份数据，数据的时效性没有那么强，读的可能是一个老数据。在内核中对IO口进行操作都要有volatile。

②配置寄存器的地址

在①的基础上，在驱动的初始化pin4_drv_init中添加寄存器地址配置

GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);
GPSET0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
GPCLR0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);

要想写出上面的代码，要掌握以下几点：

分别找到几个IO寄存器的物理地址

弄清楚GPIO的物理地址（真实地址）

并不是用下图这个地址来对应GPIO功能选择寄存器０的地址，否则编译后运行会有段错误。
IO口的起始地址是0x3f000000（从网上找的，树莓派手册第一列是总线地址）,加上GPIO的偏移量0x200000,所以GPIO的实际物理地址应该是从0x3f200000开始的，然后在这个基础上进行Linux系统的MMU内存虚拟化管理，映射到虚拟地址上，编程都是操作虚拟地址。

继续顺着操作手册找到GPSET0和GPCLR0寄存器的偏移量，见下图。其实寄存器的名字是人为的根据功能命名的，本质是一串客观存在的物理地址。

特别注意：BCM2708 和BCM2709 IO起始地址不同，BCM2708是0x20000000,BCM2709是0x3f000000

根据偏移值，弄清楚寄存器的物理地址（真实地址）

可以看到寄存器GPSET0相对于GPIO物理地址的偏移值为1C。

同样的方法，寄存器GPCLR0的偏移值为28。

物理地址转换为虚拟地址：ioremap函数

因为无论内核代码还是上层代码操作的都是虚拟地址，代码中直接用物理地址肯定不行，需要进行转换,将IO口寄存器映射成普通内存单元进行访问。

使用函数ioremap:

函数原型：void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size)
phys_addr：要映射的物理地址的基地址；
size：要映射的空间的大小（一个寄存器4个字节）；

5.3寄存器功能配置

①在函数pin4_open中配置pin4为输出引脚

可以看到只要32位寄存器GPFSEL0的14-12位配置为001，其它位不管，即可配置pin4为输出引脚

当然直接暴力赋值（0000…001…0000）是不可取的，会把其他的IO口给影响。最好的结果是只改变了14-12位。

运用与（&） / 或（|）运算进行位操作

*GPFSEL0 &= ~(0x6 << 12);
*GPFSEL0 |= (0x1 << 12);

想要写出以上代码，必须清楚下面两个步骤

1)、与运算给指定位（14bit、13bit）赋值0，其他不变

为了方便描述，这里把需要“与”上的数称为 “辅助数”。（寄存器中的数是假设的）

但为了方便（1越少，用计算器换算就越简单）得到这个第13、14位为0的数，选择对辅助数“取两次反“。

第一次取反为： 00000…110…00000

用计算器在二进制BIN中输入110（方便就在这，你要是直接在计算器中输入目标辅助数进行换算，数有多少个1都很吃力！！）

0110,向左移12位，低位自动补0，则1 1正好对上14、13位。

再取反（~），得到一开始想要的让寄存器的数14、13位与上0的辅助数。

2)、或运算给指定位（12bit）赋值1

是同样的思路，不再赘述

②在函数pin4_write中配置pin4输出 0 / 1（高低电平）

获取上层write函数的值:copy_from_user函数

函数介绍
unsigned long copy_from_user(void * to, const void __user * from, unsigned long n)

此函数将from指针指向的用户空间地址开始的连续n个字节的数据送到to指针指向的内核空间地址，简言之是用于将用户空间的数据传送到内核空间

第一个参数to是内核空间的数据目标地址指针，
第二个参数from是用户空间的数据源地址指针，
第三个参数n是数据长度。

如果数据拷贝成功，则返回零；否则，返回没有拷贝成功的数据字节数。

根据值来操作IO口

int userCmd;上层写的是整型数1，底层就要对应起来用int.如果是字符则用char

copy_from_user(&userCmd,buf,count);

if(userCmd == 1){
	printk("set 1\\n");//内核调试信息
	*GPSET0 |= 0x1 << 4;
}else if(userCmd == 0){
	printk("set 0\\n");
	*GPCLR0 |= 0x1 << 4;
}else{
	printk("cmd error\\n");
}

说明（这也是操作逻辑的一部分啦）：
①这个GPSET0，0指的是分组，不是设置成低电平。
②左移4位，是因为GPSET0寄存器的第4位对应pin4,只要把第4位设置为1，表示这个寄存器就对pin4发挥作用，设置成高电平，如果是0则 no effct（手册内容）。

5.4解除虚拟地址映射

退出程序卸载驱动的时候，解除映射：iounmap函数

void iounmap（void* addr）//取消ioremap所映射的IO地址

iounmap(GPFSEL0);  //init是相反的执行顺序
iounmap(GPSET0);
iounmap(GPCLR0);

5.5完整代码

内核驱动框架

#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

volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int* GPSET0  = NULL;
volatile unsigned int* GPCLR0  = NULL;

//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
    //open的时候配置pin4为输出引脚
    *GPFSEL0 &= ~(0x6 << 12);
	*GPFSEL0 |= (0x1 << 12);
    
    return 0;
}

//pin4_write函数
static ssize_t pin4_write树莓派可以运行安卓吗

 树莓派内核开发准备（内核源码获取源码目录树）
 hello 驱动编写-最简单的驱动程序
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