在Ubuntu上为Android系统编写Linux内核驱动程序

2022-09-15 20:16:41

文章转载至CSDN社区罗升阳的安卓之旅，原文地址：http://blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/6568411

在智能手机时代，每个品牌的手机都有自己的个性特点。正是依靠这种与众不同的个性来吸引用户，营造品牌凝聚力和用户忠城度，典型的代表非iphone莫属了。据统计，截止2011年5月，AppStore的应用软件数量达381062个，位居第一，而Android Market的应用软件数量达294738，紧随AppStore后面，并有望在8月份越过AppStore。随着Android系统逐步扩大市场占有率，终端设备的多样性亟需更多的移动开发人员的参与。据业内统计，Android研发人才缺口至少30万。目前，对Android人才需求一类是偏向硬件驱动的Android人才需求，一类是偏向软件应用的Android人才需求。总的来说，对有志于从事Android硬件驱动的开发工程师来说，现在是一个大展拳脚的机会。那么，就让我们一起来看看如何为Android系统编写内核驱动程序吧。

这里，我们不会为真实的硬件设备编写内核驱动程序。为了方便描述为Android系统编写内核驱动程序的过程，我们使用一个虚拟的硬件设备，这个设备只有一个4字节的寄存器，它可读可写。想起我们第一次学习程序语言时，都喜欢用“Hello, World”作为例子，这里，我们就把这个虚拟的设备命名为“hello”，而这个内核驱动程序也命名为hello驱动程序。其实，Android内核驱动程序和一般Linux内核驱动程序的编写方法是一样的，都是以Linux模块的形式实现的，具体可参考前面Android学习启动篇一文中提到的Linux Device Drivers一书。不过，这里我们还是从Android系统的角度来描述Android内核驱动程序的编写和编译过程。

一. 参照前面两篇文章在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新源代码和在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新内核源代码（Linux Kernel）准备好Android内核驱动程序开发环境。

二. 进入到kernel/common/drivers目录，新建hello目录：

USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ cd kernel/common/drivers

       USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common/drivers$ mkdir hello

三. 在hello目录中增加hello.h文件：

  1. #ifndef _HELLO_ANDROID_H_
  2. #define _HELLO_ANDROID_H_
  3. #include <linux/cdev.h>
  4. #include <linux/semaphore.h>
  5. #define HELLO_DEVICE_NODE_NAME  "hello"
  6. #define HELLO_DEVICE_FILE_NAME  "hello"
  7. #define HELLO_DEVICE_PROC_NAME  "hello"
  8. #define HELLO_DEVICE_CLASS_NAME "hello"
  9. struct hello_android_dev {
  10. int val;
  11. struct semaphore sem;
  12. struct cdev dev;
  13. };
  14. #endif

这个头文件定义了一些字符串常量宏，在后面我们要用到。此外，还定义了一个字符设备结构体hello_android_dev，这个就是我们虚拟的硬件设备了，val成员变量就代表设备里面的寄存器，它的类型为int，sem成员变量是一个信号量，是用同步访问寄存器val的，dev成员变量是一个内嵌的字符设备，这个Linux驱动程序自定义字符设备结构体的标准方法。

四.在hello目录中增加hello.c文件，这是驱动程序的实现部分。驱动程序的功能主要是向上层提供访问设备的寄存器的值，包括读和写。这里，提供了三种访问设备寄存器的方法，一是通过proc文件系统来访问，二是通过传统的设备文件的方法来访问，三是通过devfs文件系统来访问。下面分段描述该驱动程序的实现。

首先是包含必要的头文件和定义三种访问设备的方法：

  1. #include <linux/init.h>
  2. #include <linux/module.h>
  3. #include <linux/types.h>
  4. #include <linux/fs.h>
  5. #include <linux/proc_fs.h>
  6. #include <linux/device.h>
  7. #include <asm/uaccess.h>
  8. #include "hello.h"
  9. /*主设备和从设备号变量*/
  10. static int hello_major = 0;
  11. static int hello_minor = 0;
  12. /*设备类别和设备变量*/
  13. static struct class* hello_class = NULL;
  14. static struct hello_android_dev* hello_dev = NULL;
  15. /*传统的设备文件操作方法*/
  16. static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp);
  17. static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp);
  18. static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);
  19. static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);
  20. /*设备文件操作方法表*/
  21. static struct file_operations hello_fops = {
  22. .owner = THIS_MODULE,
  23. .open = hello_open,
  24. .release = hello_release,
  25. .read = hello_read,
  26. .write = hello_write,
  27. };
  28. /*访问设置属性方法*/
  29. static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr,  char* buf);
  30. static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count);
  31. /*定义设备属性*/
  32. static DEVICE_ATTR(val, S_IRUGO | S_IWUSR, hello_val_show, hello_val_store);

定义传统的设备文件访问方法，主要是定义hello_open、hello_release、hello_read和hello_write这四个打开、释放、读和写设备文件的方法：

  1. /*打开设备方法*/
  2. static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp) {
  3. struct hello_android_dev* dev;
  4. /*将自定义设备结构体保存在文件指针的私有数据域中，以便访问设备时拿来用*/
  5. dev = container_of(inode->i_cdev, struct hello_android_dev, dev);
  6. filp->private_data = dev;
  7. return 0;
  8. }
  9. /*设备文件释放时调用，空实现*/
  10. static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp) {
  11. return 0;
  12. }
  13. /*读取设备的寄存器val的值*/
  14. static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {
  15. ssize_t err = 0;
  16. struct hello_android_dev* dev = filp->private_data;
  17. /*同步访问*/
  18. if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
  19. return -ERESTARTSYS;
  20. }
  21. if(count < sizeof(dev->val)) {
  22. goto out;
  23. }
  24. /*将寄存器val的值拷贝到用户提供的缓冲区*/
  25. if(copy_to_user(buf, &(dev->val), sizeof(dev->val))) {
  26. err = -EFAULT;
  27. goto out;
  28. }
  29. err = sizeof(dev->val);
  30. out:
  31. up(&(dev->sem));
  32. return err;
  33. }
  34. /*写设备的寄存器值val*/
  35. static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {
  36. struct hello_android_dev* dev = filp->private_data;
  37. ssize_t err = 0;
  38. /*同步访问*/
  39. if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
  40. return -ERESTARTSYS;
  41. }
  42. if(count != sizeof(dev->val)) {
  43. goto out;
  44. }
  45. /*将用户提供的缓冲区的值写到设备寄存器去*/
  46. if(copy_from_user(&(dev->val), buf, count)) {
  47. err = -EFAULT;
  48. goto out;
  49. }
  50. err = sizeof(dev->val);
  51. out:
  52. up(&(dev->sem));
  53. return err;
  54. }

定义通过devfs文件系统访问方法，这里把设备的寄存器val看成是设备的一个属性，通过读写这个属性来对设备进行访问，主要是实现hello_val_show和hello_val_store两个方法，同时定义了两个内部使用的访问val值的方法__hello_get_val和__hello_set_val：

  1. /*读取寄存器val的值到缓冲区buf中，内部使用*/
  2. static ssize_t __hello_get_val(struct hello_android_dev* dev, char* buf) {
  3. int val = 0;
  4. /*同步访问*/
  5. if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
  6. return -ERESTARTSYS;
  7. }
  8. val = dev->val;
  9. up(&(dev->sem));
  10. return snprintf(buf, PAGE_SIZE, "%d\n", val);
  11. }
  12. /*把缓冲区buf的值写到设备寄存器val中去，内部使用*/
  13. static ssize_t __hello_set_val(struct hello_android_dev* dev, const char* buf, size_t count) {
  14. int val = 0;
  15. /*将字符串转换成数字*/
  16. val = simple_strtol(buf, NULL, 10);
  17. /*同步访问*/
  18. if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
  19. return -ERESTARTSYS;
  20. }
  21. dev->val = val;
  22. up(&(dev->sem));
  23. return count;
  24. }
  25. /*读取设备属性val*/
  26. static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) {
  27. struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);
  28. return __hello_get_val(hdev, buf);
  29. }
  30. /*写设备属性val*/
  31. static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) {
  32. struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);
  33. return __hello_set_val(hdev, buf, count);
  34. }

定义通过proc文件系统访问方法，主要实现了hello_proc_read和hello_proc_write两个方法，同时定义了在proc文件系统创建和删除文件的方法hello_create_proc和hello_remove_proc：

  1. /*读取设备寄存器val的值，保存在page缓冲区中*/
  2. static ssize_t hello_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) {
  3. if(off > 0) {
  4. *eof = 1;
  5. return 0;
  6. }
  7. return __hello_get_val(hello_dev, page);
  8. }
  9. /*把缓冲区的值buff保存到设备寄存器val中去*/
  10. static ssize_t hello_proc_write(struct file* filp, const char __user *buff, unsigned long len, void* data) {
  11. int err = 0;
  12. char* page = NULL;
  13. if(len > PAGE_SIZE) {
  14. printk(KERN_ALERT"The buff is too large: %lu.\n", len);
  15. return -EFAULT;
  16. }
  17. page = (char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);
  18. if(!page) {
  19. printk(KERN_ALERT"Failed to alloc page.\n");
  20. return -ENOMEM;
  21. }
  22. /*先把用户提供的缓冲区值拷贝到内核缓冲区中去*/
  23. if(copy_from_user(page, buff, len)) {
  24. printk(KERN_ALERT"Failed to copy buff from user.\n");
  25. err = -EFAULT;
  26. goto out;
  27. }
  28. err = __hello_set_val(hello_dev, page, len);
  29. out:
  30. free_page((unsigned long)page);
  31. return err;
  32. }
  33. /*创建/proc/hello文件*/
  34. static void hello_create_proc(void) {
  35. struct proc_dir_entry* entry;
  36. entry = create_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME, 0, NULL);
  37. if(entry) {
  38. entry->owner = THIS_MODULE;
  39. entry->read_proc = hello_proc_read;
  40. entry->write_proc = hello_proc_write;
  41. }
  42. }
  43. /*删除/proc/hello文件*/
  44. static void hello_remove_proc(void) {
  45. remove_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME, NULL);
  46. }

最后，定义模块加载和卸载方法，这里只要是执行设备注册和初始化操作：

  1. /*初始化设备*/
  2. static int  __hello_setup_dev(struct hello_android_dev* dev) {
  3. int err;
  4. dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);
  5. memset(dev, 0, sizeof(struct hello_android_dev));
  6. cdev_init(&(dev->dev), &hello_fops);
  7. dev->dev.owner = THIS_MODULE;
  8. dev->dev.ops = &hello_fops;
  9. /*注册字符设备*/
  10. err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1);
  11. if(err) {
  12. return err;
  13. }
  14. /*初始化信号量和寄存器val的值*/
  15. init_MUTEX(&(dev->sem));
  16. dev->val = 0;
  17. return 0;
  18. }
  19. /*模块加载方法*/
  20. static int __init hello_init(void){
  21. int err = -1;
  22. dev_t dev = 0;
  23. struct device* temp = NULL;
  24. printk(KERN_ALERT"Initializing hello device.\n");
  25. /*动态分配主设备和从设备号*/
  26. err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, HELLO_DEVICE_NODE_NAME);
  27. if(err < 0) {
  28. printk(KERN_ALERT"Failed to alloc char dev region.\n");
  29. goto fail;
  30. }
  31. hello_major = MAJOR(dev);
  32. hello_minor = MINOR(dev);
  33. /*分配helo设备结构体变量*/
  34. hello_dev = kmalloc(sizeof(struct hello_android_dev), GFP_KERNEL);
  35. if(!hello_dev) {
  36. err = -ENOMEM;
  37. printk(KERN_ALERT"Failed to alloc hello_dev.\n");
  38. goto unregister;
  39. }
  40. /*初始化设备*/
  41. err = __hello_setup_dev(hello_dev);
  42. if(err) {
  43. printk(KERN_ALERT"Failed to setup dev: %d.\n", err);
  44. goto cleanup;
  45. }
  46. /*在/sys/class/目录下创建设备类别目录hello*/
  47. hello_class = class_create(THIS_MODULE, HELLO_DEVICE_CLASS_NAME);
  48. if(IS_ERR(hello_class)) {
  49. err = PTR_ERR(hello_class);
  50. printk(KERN_ALERT"Failed to create hello class.\n");
  51. goto destroy_cdev;
  52. }
  53. /*在/dev/目录和/sys/class/hello目录下分别创建设备文件hello*/
  54. temp = device_create(hello_class, NULL, dev, "%s", HELLO_DEVICE_FILE_NAME);
  55. if(IS_ERR(temp)) {
  56. err = PTR_ERR(temp);
  57. printk(KERN_ALERT"Failed to create hello device.");
  58. goto destroy_class;
  59. }
  60. /*在/sys/class/hello/hello目录下创建属性文件val*/
  61. err = device_create_file(temp, &dev_attr_val);
  62. if(err < 0) {
  63. printk(KERN_ALERT"Failed to create attribute val.");
  64. goto destroy_device;
  65. }
  66. dev_set_drvdata(temp, hello_dev);
  67. /*创建/proc/hello文件*/
  68. hello_create_proc();
  69. printk(KERN_ALERT"Succedded to initialize hello device.\n");
  70. return 0;
  71. destroy_device:
  72. device_destroy(hello_class, dev);
  73. destroy_class:
  74. class_destroy(hello_class);
  75. destroy_cdev:
  76. cdev_del(&(hello_dev->dev));
  77. cleanup:
  78. kfree(hello_dev);
  79. unregister:
  80. unregister_chrdev_region(MKDEV(hello_major, hello_minor), 1);
  81. fail:
  82. return err;
  83. }
  84. /*模块卸载方法*/
  85. static void __exit hello_exit(void) {
  86. dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);
  87. printk(KERN_ALERT"Destroy hello device.\n");
  88. /*删除/proc/hello文件*/
  89. hello_remove_proc();
  90. /*销毁设备类别和设备*/
  91. if(hello_class) {
  92. device_destroy(hello_class, MKDEV(hello_major, hello_minor));
  93. class_destroy(hello_class);
  94. }
  95. /*删除字符设备和释放设备内存*/
  96. if(hello_dev) {
  97. cdev_del(&(hello_dev->dev));
  98. kfree(hello_dev);
  99. }
  100. /*释放设备号*/
  101. unregister_chrdev_region(devno, 1);
  102. }
  103. MODULE_LICENSE("GPL");
  104. MODULE_DESCRIPTION("First Android Driver");
  105. module_init(hello_init);
  106. module_exit(hello_exit);

五.在hello目录中新增Kconfig和Makefile两个文件，其中Kconfig是在编译前执行配置命令make menuconfig时用到的，而Makefile是执行编译命令make是用到的：

       Kconfig文件的内容

       config HELLO
           tristate "First Android Driver"
           default n
           help
           This is the first android driver.
 
      Makefile文件的内容
      obj-$(CONFIG_HELLO) += hello.o
      在Kconfig文件中，tristate表示编译选项HELLO支持在编译内核时，hello模块支持以模块、内建和不编译三种编译方法，默认是不编译，因此，在编译内核前，我们还需要执行make menuconfig命令来配置编译选项，使得hello可以以模块或者内建的方法进行编译。
      在Makefile文件中，根据选项HELLO的值，执行不同的编译方法。
      六. 修改arch/arm/Kconfig和drivers/kconfig两个文件，在menu "Device Drivers"和endmenu之间添加一行：
      source "drivers/hello/Kconfig"
        这样，执行make menuconfig时，就可以配置hello模块的编译选项了。. 
        七. 修改drivers/Makefile文件，添加一行：
        obj-$(CONFIG_HELLO) += hello/
        八. 配置编译选项：
        USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common$ make menuconfig
        找到"Device Drivers" => "First Android Drivers"选项，设置为y。
        注意，如果内核不支持动态加载模块，这里不能选择m，虽然我们在Kconfig文件中配置了HELLO选项为tristate。要支持动态加载模块选项，必须要在配置菜单中选择Enable loadable module support选项；在支持动态卸载模块选项，必须要在Enable loadable module support菜单项中，选择Module unloading选项。
        九. 编译：
        USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common$ make
        编译成功后，就可以在hello目录下看到hello.o文件了，这时候编译出来的zImage已经包含了hello驱动。
        十. 参照在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新内核源代码（Linux Kernel）一文所示，运行新编译的内核文件，验证hello驱动程序是否已经正常安装：
        USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ emulator -kernel ./kernel/common/arch/arm/boot/zImage &
        USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ adb shell
        进入到dev目录，可以看到hello设备文件：
        root@android:/ # cd dev
        root@android:/dev # ls
        进入到proc目录，可以看到hello文件：
        root@android:/ # cd proc
        root@android:/proc # ls
        访问hello文件的值：
        root@android:/proc # cat hello
        0
        root@android:/proc # echo '5' > hello
        root@android:/proc # cat hello
        5
        进入到sys/class目录，可以看到hello目录：
        root@android:/ # cd sys/class
        root@android:/sys/class # ls
        进入到hello目录，可以看到hello目录：
        root@android:/sys/class # cd hello
        root@android:/sys/class/hello # ls
        进入到下一层hello目录，可以看到val文件：
        root@android:/sys/class/hello # cd hello
        root@android:/sys/class/hello/hello # ls
        访问属性文件val的值：
        root@android:/sys/class/hello/hello # cat val
        5
        root@android:/sys/class/hello/hello # echo '0'  > val
        root@android:/sys/class/hello/hello # cat val
        0
        至此，我们的hello内核驱动程序就完成了，并且验证一切正常。这里我们采用的是系统提供的方法和驱动程序进行交互，也就是通过proc文件系统和devfs文件系统的方法，下一篇文章中，我们将通过自己编译的C语言程序来访问/dev/hello文件来和hello驱动程序交互，敬请期待。
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