第三阶段：43-47.树莓派基于Linux内核驱动开发

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
1.3 open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
2.3.1 static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(最终加载到内核驱动链表)
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
①Makefile内添加生成.o命令
②模块编译生成.ko文件
③把.ko文件发送至树莓派
3.2 上层代码交叉编译发送至树莓派
3.3 树莓派装载驱动并运行
①树莓派加载内核驱动(insmod)
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

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。
1.3 open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）

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。

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。

zd@ubuntu:~/SYSTEM/linux-rpi-4.14.y/drivers/char$ vi pin4driver2.c

#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 上层的名字//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 = {//内核定义好的结构体 内核源码里有//就是驱动的结构体 要加载到内核驱动链表.owner = THIS_MODULE, .open  = pin4_open,  //上层有读 底层就要有open的支持.write = pin4_write, //上层有写 底层就要有write的支持
};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***********//主设备号231 模块名pin4 上面的结构体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  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
2.3.1 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。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(最终加载到内核驱动链表)
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

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Linux内核源码（前一章节编译好的）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(源码定义好了结构体等等)，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

①Makefile内添加生成.o命令
进行配置，使得工程编译时可以编译这个文件
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。

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                           += pin4drive2.o

m就是模块的形式
②模块编译生成.ko文件
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

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（别人视频的地址）

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 上层代码交叉编译发送至树莓派
拷贝上文分析的上层代码到ubuntu中，此处我命名为pin4test.c

#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;
}

使用交叉编译工具在Linux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(insmod)

sudo insmod pin4drive2.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

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

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 xwhat to permit - r: read, w: write, x: executepermission to  - user: the owner that create the file/foldergroup: the users from group that owner is memberother: 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

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