Linux内核学习(二)编写最简单的字符设备驱动
目录
- 写在前面
- 整体环境
- 学习笔记
- 设备
- 模块
- 字符设备驱动的代码
- 字符设备驱动的Makefile（构建模块）
- 管理模块的位置
- 驱动的插入和卸载
写在前面
之前做项目的时候，有前辈告诉自己，要去学一下Linux内核，对很多方面都有帮助，现在闲下来，来花时间学一下这一部分的知识点，也算是一个学习笔记
目前跟着B站UP主——简说linux 的教程《Linux内核开发100讲》学习，链接如下：
简说linux个人空间
本章参考学习的链接如下：
Makefile中($(KERNELRELEASE),)执行分析
《Linux内核设计与实现》
在学习的过程中，我也会对遇到的各种问题进行深一步学习， 从而总结知识点到博客当中，这就会出现内容可能会四处跳跃，但是这种跳跃符合我的学习过程。
整体环境
为了学习代码，我们需要一个一套Linux环境，因为为了方便自己记笔记和学习，没有用双系统，直接在windows10下面用VMware建了一个虚拟机进行试验。
开发环境:VMWare虚拟机 Ubuntu 18.04
Linux源码版本:linux4.9.229
学习笔记
设备
在Linux中，大部分设备驱动就是表示物理设备，只有一些设备驱动是虚拟的，仅提供访问内核功能。因此大部分设备驱动就是调用实际中的设备所提供的代码
模块
Linux是“单块内核”(monolithic)的操作系统，即整个系统内核都运行在一个单独的保护域中，但其内核时模块化组成在，在运行的过程中可以动态的向其中插入或从中删除代码。这些代码(包括相关的子例程、数据、函数入口和函数出口)被一并组合在一个单独的二进制镜像中(即后文中的Makefile文件中的obj-m := helloDev.o这一个操作也就是.ko文件)，这个就叫做模块。
因此给Linux内核加入新的设备的过程大致如下
字符设备驱动的代码
首先，UP主给出了最简单的一个字符设备驱动的代码，具体代码如下，学习过程中的笔记就当写注释了
#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/slab.h>#define BUFFER_MAX (10)
#define OK (0)
#define ERROR (-1)struct cdev *gDev;
struct file_operations *gFile;
dev_t devNum;
unsigned int subDevNum = 1;
int reg_major = 232;
int reg_minor = 0;
char *buffer;
int flag = 0;
int hello_open(struct inode *p, struct file *f)
{printk(KERN_EMERG"hello_open\r\n");return 0;
}ssize_t hello_write(struct file *f, const char __user *u, size_t s, loff_t *l)
{printk(KERN_EMERG"hello_write\r\n");return 0;
}
ssize_t hello_read(struct file *f, char __user *u, size_t s, loff_t *l)
{printk(KERN_EMERG"hello_read\r\n"); return 0;
}
int hello_init(void)
{devNum = MKDEV(reg_major, reg_minor);//根据主次设备号生成一个devNum，具体实现是将主设备号作一个偏移，然后将其或上次设备号//主次设备号用来唯一标识一个设备，主:标识一类设备 次:该类设备下的不同设备if(OK == register_chrdev_region(devNum, subDevNum, "helloworld")){ //register_chrdev_region是将设备注册到内核里面//将设备号注册到内核里面后，该设备号其他人就无法再注册printk(KERN_EMERG"register_chrdev_region ok \n"); }else {printk(KERN_EMERG"register_chrdev_region error n");return ERROR;}printk(KERN_EMERG" hello driver init \n");gDev = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);gFile = kzalloc(sizeof(struct file_operations), GFP_KERNEL);//声明一个file_operation类型的变量gFile//struct file_operations结构体里面声明了许多对文件操作的函数gFile->open = hello_open;gFile->read = hello_read;gFile->write = hello_write;//对gFile中的三个操作进行指向，最终由应用层请求进行调用gFile->owner = THIS_MODULE;cdev_init(gDev, gFile);//建立了gDev和gFile之间的联系//注：在学习内核的过程中，有些函数特别复杂，我们可以不去细究。类似这样的，我们知道这个函数将两者建立了联系即可cdev_add(gDev, devNum, 3);//建立gDev和设备号之间的联系//至此，建立了设备号与gDev与gFile的联系return 0;
}void __exit hello_exit(void) //驱动卸载函数
{cdev_del(gDev); //与cdev_add操作对应unregister_chrdev_region(devNum, subDevNum);//与register_chrdev_region操作对应return;
}
module_init(hello_init); //声明驱动的入口函数是hello_init
module_exit(hello_exit); //声明驱动的出口函数是hello_exit
MODULE_LICENSE("GPL"); //声明了版权
学习笔记
- 字符设备通常缩写为cdev，它是不可寻址的，仅提供数据的流式访问，就是一个个字符或者一个个字节。
hello_init()就是这一个模块的入口点，它通过module_init()注册到系统中，在内核装载到时候被调用。而module_init()实际上不是一个函数调用，而是一个宏调用。唯一的参数就是模块的初始化函数。模块的所有初始化函数必须满足int my_init(void)这样的格式hello_exit()是模块的出口函数，由module_exit()注册到系统中，当模块从内存卸载的时候，便会调用此函数。即对这个模块的清理工作，其退出函数必须负荷void my_exit(void)格式- 由于init和exit函数通常不会被外部函数直接调用，因此我们不必导出该函数，因此这两个函数都可以标记为
static类型
字符设备驱动的Makefile（构建模块）
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := helloDev.o #给内核的编译系统识别，内核系统会将所有obj-m的二进制文件变为驱动文件
#此处执行就是将helloDev.c生成为helloDev.o文件，再将其编译为驱动文件即.ko文件
else
PWD := $(shell pwd) #得到当前目录
#KDIR:= /lib/modules/4.4.0-31-generic/build #自己编译的一个内核下的驱动，插入编译的这个内核的驱动中
KDIR := /lib/modules/`uname -r`/build #当前运行的Ubuntu的系统所在的地方，插入到自己系统的驱动中
all:make -C $(KDIR) M=$(PWD)#make -C $(KDIR)表示进入内核目录，并执行其中的Makefile文件#M=$(PWD) 表示执行完了之后返回到当前的目录之下继续读入、执行当前的Makefile文件
clean: rm -rf *.o *.ko *.mod.c *.symvers *.c~ *~
endif
笔记
- 首先是最简单ifneq的使用:
ifneq($(变量名), 变量值)，ifneq是为了比较两个参数是否不相同，不相等为true，相等为false
第二个变量是NULL即为空。即如果变量为空，则为false，进入else语句
补充一点 Makefile笔记
ifeq判断参数是否不相等，相等为 true，不相等为 false。
ifneq判断参数是否不相等，不相等为 true，相等为 false。
ifdef判断是否有值，有值为 true，没有值为 false。
ifndef判断是否有值，没有值为 true，有值为 false。
- 在执行这个Makefile文件的时候，如果使用的
make指令，那么Makefile文件就会执行all:后面的语句，即上方的make -C $(KDIR) M=$(PWD)，如果使用make clean指令，则会执行clean:后面的语句 - 而这个文件最关键的是会执行两次该Makefile文件，原因如下：
当第一次执行ifneq ($(KERNELRELEASE),)时，此时的KERNELRELEASE变量还没有被定义，因此此时判断为fasle进入else后面的执行语句，然后进入all:后面的语句，all:后面的语句执行过程如下
make -C $(KDIR)表示进入内核目录，并执行其中的Makefile文件，此时，KERNELRELEASE变量已被定义，不再为空
M=$(PWD)表示执行完了之后返回到当前的目录之下继续读入、执行当前的Makefile文件
再次执行当前Makefile文件之后，ifneq判断为true，执行obj-m := helloDev.o
管理模块的位置
在前面的这些知识里面我们可以知道，.ko文件就是一个文件镜像，Linux内核系统就是把这样的一个镜像文件插入到运行的内核当中。而这里面有一个重要的点是，我们在哪里管理我们的模块，也就是把.ko文件放在哪？
放到内核源代码树种
在前面Linux内核学习(一)里面我们知道，在Linux内核代码里面设备驱动程序有一个专门的目录即/drivers，在内部有许多的子目录，而我们也可以将我们自己编写的设备驱动模块放在其内部。这里面有drivers/char(存放字符设备),/drivers/usb(存放USB设备)注:这个规矩并不是墨守成规的，许多usb设备也属于字符设备，但这样的目录规则有助于我们理解各个设备的关系
但是我们如果将我们的文件放到这里面的目录之下，该目录下会同时存在大量的C源代码文件和其他文件目录，不便于自己编写。
因此，我们也可以自己在/drivers/char下创建一个自己的一个目录，例如/drivers/char/helloDev，如果是这样的话，我们就需要在drivers/char/Makefile里面加入一行obj-m += helloDev/,意思是编译模块的时候，要进入helloDev目录。然后我们需要在drivers/char/helloDev里面加入一个Makefile文件，并包含obj-m += helloDev.o（即将helloDev.c编译为helloDev.ko文件）放在内核代码之外
我们也可以将其放在一个自己的文件夹里面，来进行维护，那么就只需要在你当前的目录之下建立一个Makefile文件，里面包含
obj-m :=helloDev.o，这样就把文件编译为.ko文件了，当然，如果你有多个元件文件需要编译到helloDev.o里面，我们就需要加入helloDev-objs := helloDev.o goodbye.o，这样helloDev.c和goodbye.c就被编译到helloDev.ko里面了
当然我们也要让内核知道我们要编译的模块在哪
可以选择在Makefile里面加入make -C $(KDIR) M=$(PWD)例如前面的文件种
或者使用make指令的时候使用make -C /kernel/source/location SUBDIRS=$PWD modules
驱动的插入和卸载
有了上述的准备工作之后，我们就可以将我们的helloDev.ko驱动加入到我们的Linux进程当中啦
首先，我们先把我们的内核日志中的所有内容清理一下，便于我们查看后续插入我们自己的驱动而输出的信息
sudo dmesg -C #需要在root权限下清理日志
dmesg # 查看日志内容
当dmesg没有输出内容之后，代表已经清理完了
输入sudo insmod helloDev.ko将我们的设备驱动加入到Linux内核当中
然后我们输入lsmod查看我们是否加入成功
发现已经存在了，代表已经插入成功
这个时候，我们再使用dmesg 查看我们插入驱动的输出信息,发现确实已经输出了
当我们想要把这个设备卸载的时候，我们使用sudo rmmod helloDev即可以把驱动卸载，卸载之后，再用lsmod就看不到啦
但这两个指令并不只能，先进工具modprobe更智能，它还会自动加载任何安装的模块及任何它所依赖的模块
插入模块指令modprobe module [ module parameters] 卸载模块指令modprobe -r modules，都需要在root权限下运行
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