LINUX设备驱动开发及内核原理
《Linux设备驱动开发》PDF课件
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资可得 源获 内空 核间
华清远见
v 两个半部
中断
v 机制
Ø
tasklet 工作队列
1 /*定义tasklet和底半部函数并关联*/ 2 void xxx_do_tasklet(unsigned long); 3 DECLARE_TASKLET(xxx_tasklet, xxx_do_tasklet, 0);4 5 /*中断处理底半部*/ 6 void xxx_do_tasklet(unsigned long) 7 {... 9 } 11 /*中断处理顶半部*/ 12 irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) 13 { 15 16 ...} ... tasklet_schedule(&xxx_tasklet);
驱中 立 设的 口 动 独于 备 接 硬 件 驱 中硬 操 动 的 件作 串 口 LD E FA LS H 硬 件
non-os驱动与应用
on-os驱动与应用
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华清远见
并发和竞态
l 并发和竞态：
Ø 对称多处理器 （SMP）的多个CPU Ø 单CPU内进程与抢占它的进程 Ø 中断（硬中断、软中断、Tasklet、底半部）与进程之间
v v
v v
v
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华清远见
Linux设备驱动的现状
v 高驱动的需求
linux驱动开发（一）
linux驱动开发（⼀）1：驱动开发环境要进⾏linux驱动开发我们⾸先要有linux内核的源码树，并且这个linux内核的源码树要和开发板中的内核源码树要⼀直；⽐如说我们开发板中⽤的是linux kernel内核版本为2.6.35.7，在我们ubuntu虚拟机上必须要有同样版本的源码树，我们再编译好驱动的的时候，使⽤modinfo XXX命令会打印出⼀个版本号，这个版本号是与使⽤的源码树版本有关，如果开发板中源码树中版本与modinfo的版本信息不⼀致使⽆法安装驱动的；我们开发板必须设置好nfs挂载；这些在根⽂件系统⼀章有详细的介绍；2：开发驱动常⽤的⼏个命令lsmod ：list moduel 把我们机器上所有的驱动打印出来，insmod：安装驱动rmmod：删除驱动modinfo：打印驱动信息3：写linux驱动⽂件和裸机程序有很⼤的不同，虽然都是操作硬件设备，但是由于写裸机程序的时候是我们直接写代码操作硬件设备，这只有⼀个层次；⽽我们写驱动程序⾸先要让linux内核通过⼀定的接⼝对接，并且要在linux内核注册，应⽤程序还要通过内核跟应⽤程序的接⼝相关api来对接；4：驱动的编译模式是固定的，以后编译驱动的就是就按照这个模式来套即可，下⾯我们来分下⼀下驱动的编译规则：#ubuntu的内核源码树，如果要编译在ubuntu中安装的模块就打开这2个#KERN_VER = $(shell uname -r)#KERN_DIR = /lib/modules/$(KERN_VER)/build# 开发板的linux内核的源码树⽬录KERN_DIR = /root/driver/kernelobj-m += module_test.oall:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modulescp:cp *.ko /root/porting_x210/rootfs/rootfs/driver_test.PHONY: cleanclean:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules cleanmake -C $(KERN_DIR) M=`PWD` modules这句话代码的作⽤就是到 KERN_DIR这个⽂件夹中 make modules把当前⽬录赋值给M，M作为参数传到主⽬录的Makefile中，实际上是主⽬录的makefile中有⽬标modules，下⾯有⼀定的规则来编译驱动；#KERN_VER = $(shell uname -r)#KERN_DIR = /lib/modules/$(KERN_VER)/build我们在ubuntu中编译内核的时候⽤这两句代码，因为在ubuntu中为我们保留了⼀份linux内核的源码树，我们编译的时候直接调⽤那个源码树的主Makefile以及⼀些头⽂件、内核函数等；了解规则以后，我们设置好KERN_DIR、obj-m这两个变量以后直接make就可以了；经过编译会得到下⾯⼀些⽂件：下⾯我们可以使⽤lsmod命令来看⼀下我们ubuntu机器现有的⼀些驱动可以看到有很多的驱动，下⾯我们使⽤insmod XXX命令来安装驱动，在使⽤lsmod命令看⼀下实验现象可以看到我们刚才安装的驱动放在了第⼀个位置；使⽤modinfo来打印⼀下驱动信息modinfo xxx.ko这⾥注意vermagic 这个的1.8.0-41是你⽤的linux内核源码树的版本号，只有这个编译的版本号与运⾏的linux内核版本⼀致的时候，驱动程序才会被安装注意license：GPL linux内核开元项⽬的许可证⼀般都是GPL这⾥尽量设置为GPL，否则有些情况下会出现错误；下⾯使⽤rmmod xxx删除驱动；-------------------------------------------------------------------------------------5：下⾯我们分析⼀下驱动。
设备驱动程序在嵌入式Linux系统中的实现分析
１ 引言
设备驱 动程 序是操 作系 统 内核 和机器硬 件之 间 的接 口 ， 为应用 和设备 间 的软件层 ， 作 为应用 程序屏 蔽 了硬 件 的细 节 。在 Ｌｎｘ系统 中 ， 件 设 备 只是 ｉｕ 硬
一
备 的操作 和控 制 ， 须 分析 驱 动程 序 的结构 和 实 现 必
原理。
４ Ｎ Ｇ ｎ Ｙｉ ｇ
【ｂｔ ｃ】 Ｔ ｉｐｐｒ ｅ ｒ ｅ ｔ ｐｒ ｎｅ ｆ ｅｇｉ ｉ ｒｉ ｔ ｂｄｅ Ｌ ｕ ｓ ｍ ａ ｗ ｌ ｓｈ ｓ Ａ ｓ ａｔ ｒ ｈ ａｅ ｄ ｃ ｂ ｅｍ ｏ ａｃ ｏ ｄｓ ｎ ｇ ｒｅ ｅ ｍ ｅ ｄ ｉ ｘ ｙｔ ， ｓ ｅ ｅ ａｃ ｓ ｓ ｉ ｓ ｈ ｉ ｔ ｉ ｎ ｄ ｖ ｓｎ ｈ ｅ ｄ ｎ ｓ ｅ ｌ ｔ ｂｉ ａ
・
４８ ・
第 １ ・ ２期 ０卷 第
王莹 ： 设备驱动程序 在嵌入式 Ｌｎ ｘ系统 中的实现分析 ｉｕ
２１ ０ ０年 ４月
可 以分 为 ５个部 分 ：
件 ｆ． ｓ ｈ里定 义 的 ｆｅ ｏｅａｉ ｓ 构 ， ｉ — Ｄｒｔ ｎ 结 ｌ ｏ 它包 含 一 系 列 函数指 针 ， 这些 函数 指针指 向对设备 的各 种操 作 。
设备 。
２ 设备驱动程序实现原理
设备 驱动程 序设计 是嵌 入式 Ｌｎ ｘ开发 中重要 ｉｕ
பைடு நூலகம்
的部分 ， 驱动程序是应用程序与硬件之间的一个中
间软件层 ， 应该 为应用 程序展 现硬件 的所有 功能 ， 不
２． 驱动程 序 的基 本结构 ２
嵌 入式 Ｌｎ ｘ 备 驱 动 程 序 都有 一 些 共 性 ， ｉｕ 设 编 写所有类 型 的驱动 程序 都 是 通用 的 ， 作 系统 提 供 操
Linux设备驱动程序原理及框架-内核模块入门篇
Linux设备驱动程序原理及框架-内核模块入门篇内核模块介绍应用层加载模块操作过程内核如何支持可安装模块内核提供的接口及作用模块实例内核模块内核模块介绍Linux采用的是整体式的内核结构，这种结构采用的是整体式的内核结构，采用的是整体式的内核结构的内核一般不能动态的增加新的功能。
为此，的内核一般不能动态的增加新的功能。
为此，Linux提供了一种全新的机制，叫(可安装) 提供了一种全新的机制，可安装) 提供了一种全新的机制模块” )。
利用这个机制“模块”(module)。
利用这个机制，可以)。
利用这个机制，根据需要，根据需要，在不必对内核重新编译链接的条件将可安装模块动态的插入运行中的内核，下，将可安装模块动态的插入运行中的内核，成为内核的一个有机组成部分；成为内核的一个有机组成部分；或者从内核移走已经安装的模块。
正是这种机制，走已经安装的模块。
正是这种机制，使得内核的内存映像保持最小，的内存映像保持最小，但却具有很大的灵活性和可扩充性。
和可扩充性。
内核模块内核模块介绍可安装模块是可以在系统运行时动态地安装和卸载的内核软件。
严格来说，卸载的内核软件。
严格来说，这种软件的作用并不限于设备驱动，并不限于设备驱动，例如有些文件系统就是以可安装模块的形式实现的。
但是，另一方面，可安装模块的形式实现的。
但是，另一方面，它主要用来实现设备驱动程序或者与设备驱动密切相关的部分(如文件系统等)。
密切相关的部分(如文件系统等)。
课程内容内核模块介绍应用层加载模块操作过程内核如何支持可安装模块内核提供的接口及作用模块实例内核模块应用层加载模块操作过程内核引导的过程中，会识别出所有已经安装的硬件设备，内核引导的过程中，会识别出所有已经安装的硬件设备，并且创建好该系统中的硬件设备的列表树：文件系统。
且创建好该系统中的硬件设备的列表树：/sys 文件系统。
(udev 服务就是通过读取该文件系统内容来创建必要的设备文件的。
)。
linux 开发环境 原理
Linux开发环境的原理介绍Linux是一种开源的操作系统，由内核和应用程序构成。
它可以运行在各种硬件平台上，如个人电脑、服务器、智能手机等。
Linux 的内核主要负责系统的调度、进程管理和内存管理等基本操作，应用程序则负责实现用户所需的各种功能。
在Linux上开发应用程序需要一个完整的开发环境，包括编译器、调试器、集成开发环境（IDE）等。
下面将介绍这些组件的原理以及如何在Linux上搭建这样的开发环境。
1. 编译器Linux上的编译器主要用于将高级编程语言（如C、C++等）编译为可执行文件。
常用的编译器包括GCC、Clang等。
这些编译器使用Linux系统提供的函数库进行编程和编译，它们会使用文本文件（通常是源代码文件）创建可执行文件。
2. 调试器调试器是开发人员在开发应用程序时使用的工具，它可以帮助开发人员跟踪程序运行过程中的变量和表达式，以及定位和修复程序中的错误。
Linux上常用的调试器包括GDB、LLDB等。
这些调试器通过控制台与应用程序进行交互，并使用源代码文件分析程序的执行逻辑。
3. 集成开发环境（IDE）集成开发环境是一种用于编辑、编译和调试程序的软件工具，它可以提供一种易于使用的界面，让开发人员更轻松地进行程序开发。
Linux上常用的IDE包括Eclipse、IntelliJ IDEA等。
这些IDE会使用Linux系统提供的函数库进行编程和编译，它们会使用文本文件（通常是源代码文件）创建可执行文件。
4. 在Linux上搭建开发环境在Linux上搭建开发环境通常包括安装所需的软件包，如GCC、GDB等，并根据需要配置相关的环境变量。
在Ubuntu这样的易用的Linux操作系统上，可以通过命令行安装和配置这些组件。
同时，Ubuntu还提供了多个版本的安装镜像文件，可根据需要选择适合的版本进行安装。
需要注意的是，不同的Linux发行版和开发工具可能会有所不同，因此在搭建开发环境时需要根据实际情况选择适合的工具和环境。
Linux的驱动开发分析
ｆ ｏ ｒ （ １ ｅ ｆ ｔ＝ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ：ｌ ｅ ｆ ｔ＞Ｏ ：ｌ ｅ ｆ ｔ 一 ＿ ） ｛
． ．
ｐ ｕ ｔ ｕ ｓ ｅ ｒ （ １ ，ｂ ｕ ｒ ，１ ） ；
．
２ 驱 动程 序原 理
编写设备 驱动程序 的原 理即基于Ｉ ／ Ｏ 设备管理 采用的分层 模 型， ｌ ／ ０ 设备 管理 软件位于 内核 中的最底层 ， 设备驱动程 序是
－
ｒ ｅ ａ （ Ｖ Ｅ Ｒ Ｉ Ｆ ＹＷ ｉ ｆ （ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｙａ Ｒ Ｉ Ｔ Ｅ ， ｂ ｕ ｒ ， ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ） ＝＝
— —
Ｅ Ｆ Ａ Ｕ Ｌ Ｔ）
ｒ ｅ ｔ ｕ ｒ ｎ — Ｅ Ｆ Ａ Ｕ Ｌ Ｔ ；
性 能得到提高 。 许 多广泛应 用的嵌入 式Ｌ ｉ ｎ ｕ ｘ 系 统都 采用静态 链接 的设备驱动程序模块。
（ １ ） 工作原理 。 作为内核 的一部分， 设各驱动程 序完 成对 设
据、 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 的数据和 检测处理设备 出现 的错 误的功能。 Ｌ ｉ ｎ ｕ ｘ 设备主要分
ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｉ ｎ ｔ ｏ ｐ ｅ ｎ
｛ ｉ ｎ ｔ ｌ ｅ ｆ ｔ ：
化， 尽可能地精简。 嵌入 式Ｌ ｉ ｎ ｕ ｘ 系统不能够像桌面Ｌ ｉ ｎ ｕ ｘ ￣ ｇ 样
灵活 地使 用ｉ ｎ ｓ ｍ ｏ ｄ ／ ｒ ｍ ｍ ｏ ｄ 力 口 载卸载设备驱 动程序 。 从嵌 入式 系统 的整 体性能考虑 ， 采用静态链接模块能够使得整 个系统 的
设计分析 ・
Ｌ ｉ ｎ ｕ ｘ 的驱动开发分析
姜远志 （ 太原师范 学院 ， 山 西 太原 ０ ３ ０ ０ ０ ０ ）
linux 开发新驱动步骤
linux 开发新驱动步骤Linux作为一款开源的操作系统，其内核源码也是开放的，因此，许多开发人员在Linux上进行驱动开发。
本文将介绍在Linux上进行新驱动开发的步骤。
第一步：确定驱动类型和接口在进行驱动开发前，需要确定驱动类型和接口。
驱动类型包括字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动等。
接口包括设备文件、系统调用、ioctl等。
根据驱动类型和接口的不同，驱动开发的流程也有所不同。
第二步：了解Linux内核结构和API驱动开发需要熟悉Linux内核的结构和API。
Linux内核由许多模块组成，每个模块都有自己的功能。
API是应用程序接口，提供了许多函数和数据结构，开发人员可以使用这些函数和数据结构完成驱动开发。
第三步：编写驱动代码在了解了Linux内核结构和API后，就可以编写驱动代码了。
驱动代码需要按照Linux内核的编码规范编写，确保代码风格统一、可读性好、可维护性强等。
在编写代码时，需要使用API提供的函数和数据结构完成相应的功能。
第四步：编译驱动代码和内核模块驱动代码编写完成后，需要编译成内核模块。
编译内核模块需要使用内核源码中的Makefile文件。
编译完成后，会生成一个.ko文件，这个文件就是内核模块。
第五步：加载和卸载内核模块内核模块编译完成后，需要加载到Linux系统中。
可以使用insmod命令加载内核模块，使用rmmod命令卸载内核模块。
在加载和卸载内核模块时，需要注意依赖关系，确保依赖的模块已经加载或卸载。
第六步：调试和测试驱动开发完成后，需要进行调试和测试。
可以使用printk函数输出调试信息，在/var/log/messages文件中查看。
测试时需要模拟各种可能的情况，确保驱动程序的稳定性和可靠性。
Linux驱动开发需要掌握Linux内核结构和API，熟悉驱动类型和接口，按照编码规范编写驱动代码，并进行编译、加载、调试和测试。
只有掌握了这些技能，才能进行高效、稳定和可靠的驱动开发。
linux hid gadget 的工作原理
linux hid gadget 的工作原理一、概述HID（Human Interface Device）是一种设备接口规范，用于将设备与计算机进行通信。
Linux HID Gadget提供了一种在Linux内核中实现低级HID设备驱动的方法，它允许开发人员为各种不同类型的HID 设备创建自定义驱动程序。
本文将详细介绍Linux HID Gadget的工作原理，包括其基本概念、体系结构、设备分类、驱动程序开发以及与用户空间的交互。
二、基本概念1. HID设备：HID设备是与人类直接交互的设备，如键盘、鼠标、触摸板、手柄等。
每个HID设备都有一个特定的设备接口规范，用于定义设备的行为和数据传输方式。
2. HID规范：HID规范定义了设备如何与计算机进行通信，包括数据格式、传输速率、报告速率等。
不同的HID设备有不同的规范。
3. Linux内核：Linux内核是操作系统的核心部分，负责管理硬件资源、设备驱动程序和系统调用。
4. Linux HID Gadget驱动程序：Linux HID Gadget驱动程序是一种低级设备驱动程序，用于与特定的HID设备通信。
它提供了对设备的访问接口，允许应用程序与设备进行交互。
三、体系结构Linux HID Gadget提供了一种分层体系结构，包括内核空间和用户空间两部分。
内核空间包含HID Gadget驱动程序，负责与硬件通信和执行低级任务；用户空间包含应用程序，通过用户接口与HID设备进行交互。
四、设备分类Linux HID Gadget支持多种类型的HID设备，如键盘、鼠标、触摸板、手柄等。
每个类型的HID设备都有其特定的设备接口规范，驱动程序根据这些规范进行开发。
五、驱动程序开发开发Linux HID Gadget驱动程序需要一定的专业知识，包括C语言编程、Linux内核开发、HID设备规范等。
开发过程通常包括以下步骤：1. 识别设备：通过读取系统中已安装设备的列表，找到要开发的HID设备。
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其他设备
也有一些module不能严格地划分类型.
USB module: 它工作在内核的USB子系统之上 实际的USB设备可以是字符设备, 块设备, 也可以 是网络接口
在设备驱动之外, 别的功能, 不论硬件和软 件, 在内核中都是模块化的
例如文件系统
日程安排
设备驱动简介 建立和运行模块
character module, block module, network interface other module
字符设备和块设备
字符设备: 以字节流的形式被访问的设备。e.g: /dev/console : 文本控制台. /dev/ttyS0 : 串口 它通过文件系统节点被访问. e.g: /dev/tty1, /dev/lp0 字符设备与一般文件(regular file)的区别
日程安排
设备驱动简介 建立和运行模块 字符驱动 调试技术 并发和竞争 高级字符驱动操作 时间，延时和延后工作 分配内存 与硬件通讯 中断处理 块设备驱动
日程安排
设备驱动简介
设备驱动简介
驱动是什么
Driver is a software layer that lies between the applications and the actual device
建立和运行模块
建立开发环境
ldd3例子开发环境linux2.6.10 2.6驱动开发需要预先安装内核源码 源码需要从官方下载 或者其他发行版的官方下载 直接解压到/usr/src目录下
版本影响
内核官方版本注意 注意发行版的内部版本 最新内核版本linux2.6.20/21工作队列接口变化 小版本变动不会对驱动的架构造成太大影响 对于不同发行版，不同内核版本要做少量移植和测试
内核模块VS应用程序
执行机制不同
模块初始化 模块退出 类似事件编程
使用库不一样
无法使用标准库 只能调用内核提供的函数
用户空间VS内核空间
用户空间VS内核空间
应用程序运行在用户空间 设备模块运行在内核空间 运行模式不一样 内存地址映射也不一样
用户空间和内核空间的转换
可以在一般文件中前后移动(lseek), 但只能顺序访问字符设备. 当然, 也有特例: frame grabbers.
块设备: 能支持文件系统的设备
传统的UNIX: 只能以block(512B)为单位访问块设备 Linux: 能以访问字符设备的方式访问块设备, 即以字节文单位访问 块设备.
进程管理: 进程调度, 资源分配, 进程间通信. 内存管理: 其实也算是资源分配的一部分 文件系统: 管理, 组织物理媒介上数据的方法 设备控制: 设备驱动(ldd3所关注的) 网络: 实质上是进程间通信. 但它不局限于一个特 定的进程. 它关注收/发packets, 路由, 地址解析...
驱动程序的角色
提供机制, 而不是策略
隐藏在UNIX中的哲学
mechanism: What capabilities are provided. policy: How these capabilities can be used.
Kernel的作用
Kernel可划分为下列功能单元
应用程序很多时候是按照顺序来执行的 内核处于并发的执行环境当中
内核当中有并发的进程 中断需要响应和处理 内核中的服务也在运行 对称多处理器导致并行
模块的加载卸载和查看
加载使用insmod 卸载使用rmmod 查看使用lsmod
模块代码
static int __init initialization_function(void) { /*initialization code here*/ } module_init(initialization_function);
Linux中字符设备与块设备的区别
内核内部对数据的组织和管理不同, 对驱动开发者来说透明 接口不同 网络接口: 能与其他主机通信的设备
它可以是硬件设备, 也可以是软件设备, 比如lo. (参考 TCP/IP详解p26) 网络接口只管收发数据包, 而不管这些数据包被什么协议 所使用 不同于字符设备和块设备, 网络接口没有对应的文件系统 节点. 虽然可以通过类似eth0这样的"文件名"来访问网络 接口, 但文件系统节点中却没有针对网络接口的节点 内核与网络接口之间的通信也不同于内核与字符/块设备 之间的通信(read, write), 它们之间使用特定的传输数据包 的函数调用
Kernel的结构
模块
可加载模块(lodable modules)
module: 可实时加载到内核中的代码, 它可动态 连接到内核(insmod, rmmod) 设备驱动就是module的代表, 但module还包括文 件系统等等.
设备和模块的分类
模块分为这些类型，每种类型的模块驱动 对应类型的设备
可能发生在进程中的系统调用时或者硬件中断 系统调用虽然在内核中执行，但是依然是在进程的上下文中进 行的，所以可以访问到进程中的数据。 中断处理和进程是异步的了，而且不和任何进程有关系
模块跨越两个空间，有两个触发入口
一些函数作为系统调用的一部分执行 一些函数负责中断处理
内核中的并发
模块代码
static void __exit cleanup_function(void) { /* Cleanup code here*/ } module_exit(cleanup_function);
如何处理加载中的失败
int __init my_init_function(void) { int err; /* registration takes a pointer and a name */ err = register_this(ptr1, "skull"); if (err) goto fail_this; err = register_that(ptr2, "skull"); if (err) goto fail_that; err = register_those(ptr3, "skull"); if (err) goto fail_those; return 0; /* success */ fail_those: unregister_that(ptr2, "skull"); fail_that: unregister_this(ptr1, "skull"); fail_this: return err; /* propagate the error */ }