Linux驅動實踐：帶你一步一步編譯內核驅動程序
別人的經驗，我們的階梯!
大家好，我是道哥。今天給大家分享一些筆記本里的一些存貨: Linux 系統中的驅動和中斷相關。
大概會用 6~7 篇的文章，由淺入深的為大家介紹Linux 中驅動程序的編寫方法。
文章的順序，也是我之前自己學習時的順序。
以前的學習記錄比較零散，現在只是把它們按照一定的順序重新梳理一下。
這幾篇文章，理論知識會少一些，更注重實際的操作。
我會把操作用引導的代碼，全部上傳到網盤上，在文末有下載說明。
只要根據文中介紹的步驟進行操作，就一定可以操作成功。
學習的困惑
記得以前我在開始學習驅動開發的時候，找來很多文章、資料來學習，但是總是覺得缺少了點全局視角。
就好像：我想看清一座山的全貌，但總是被困在一個、又一個山谷中一樣。
主要的困惑有 3 點：
- 每一篇文章的介紹都是正確的，但是如果把很多文章放在一起看，就會發現怎么說的都不一樣啊?
- 有些文章注重函數的介紹，但是缺乏一個全局的視角，從整體上來觀察驅動程序的結構;
- 對于一個新手來說，能夠邊學習、邊實踐，這是最好的學習方式，但是很多文章不會注意這方面。雖然文章內容很漂亮，但是不知道怎么去實踐、驗證。
因此，這幾篇文章我們就從最簡單的驅動模塊編譯開始，然后介紹字符設備驅動程序。
在這部分，會以 GPIO 為例子，重點描述其中的關鍵節點。
最后再介紹在中斷處理程序中，如何利用信號量、小任務、工作隊列，把內核事件傳遞到應用層來處理。
作為第一個開篇文章，從最簡單的內核編譯開始。
實際操作一下：如何把一個最簡單的驅動程序(hello)，按照 2 種方式進行編譯：
- 編譯進內核;
- 編譯為一個獨立的驅動模塊;
實踐環境
為了便于測試，以下操作都是在 Ubuntu16.04 操作系統里完成的。
編譯Linux驅動程序，肯定需要內核源碼，這里選擇的是 linux-4.15 版本，可以在官網下載。
文末有下載方式。
下載之后，把linux-4.15.tar.gz解壓到Ubuntu中任意目錄即可，例如：解壓到~/tmp/目錄下：
- $ tar -zxvf linux-4.15.tar.gz -C ~/tmp/
編譯進內核
創建驅動程序目錄
linux 中的驅動，一般都放在 linux-4.15/drivers/ 目錄下，因此在這個目錄中創建一個hello文件夾。
- $ mkdir linux-4.15/drivers/hello
對于一個驅動來說，最重要的就是3個文件：
- 源代碼
- Kconfig
- Makefile
只要按照固定的格式來編寫這3個文件，linux內核的編譯腳本就可以確保把我們的驅動程序編譯進去。
創建源文件
首先是源碼，在hello文件夾中創建源文件 hello.c：
- $ cd linux-4.15/drivers/hello
- $ touch hello.c
源文件hello.c的內容是：
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/init.h>
- // 當驅動被加載的時候，執行此函數
- static int __init hello_init(void)
- {
- printk(KERN_ALERT "welcome, hello"\n");
- return 0;
- }
- // 當驅動被卸載的時候，執行此函數
- static void __exit hello_exit(void)
- {
- printk(KERN_ALERT "bye, hello\n");
- }
- // 版權聲明
- MODULE_LICENSE("GPL");
- // 以下兩個函數屬于 Linux 的驅動框架，只要把驅動兩個函數地址注冊進去即可。
- module_init(hello_init);
- module_exit(hello_exit);
有兩個小地方注意一下：
- 在內核中，打印函數是 printk，而不是 printf;
- 打印信息的級別有好幾個，從 DEBUG 到 EMERG，這里使用的是 KERN_ALERT，方便查看打印信息。
創建 Kconfig 文件
這個文件是用來對內核進行配置的，當執行 make menuconfig 指令的時候，這個文件就被解析。
先創建文件：
- $ cd linux-4.15/drivers/hello
- $ touch Kconfig
添加如下內容：
- config HELLO
- tristate "hello driver"
- help
- just a simplest driver.
- default y
第一行內容 config HELLO ，在執行配置的時候，將會生成一個變量 CONFIG_HELLO ，而這個變量，將會在編譯的時候，被 Makefile 引用。
最后一行的 default y ，就表示把 CONFIG_HELLO 的值設置成 y，從而讓這個驅動被編譯到內核中。
現在，hello驅動中的KConfig配置文件已經準備好了，但是還需要這個配置文件登記到 Linux 內核的整體配置文件中。
也就是把它登記在 linux-4.15/drivers/Kconfig 文件的末尾：
- source "drivers/hello/Kconfig"
- endmenu // 加在這一句的上面
現在，可以來執行下面指令，看一下具體的配置界面：
- $ cd linux-4.15/
- $ make distclean
- $ make ARCH=x86_64 defconfig
- $ make ARCH=x86_64 menuconfig
第2條指令，是用來把默認的配置保存到當前目錄下的 .config 配置文件，也就是把一個默認的配置文件復制過來，作為我們自己的配置文件。
以后再修改配置參數時，修改的內容就會存儲在 .config 文件中，
第3條指令，是用來配置內核的，可以進入 Device Drivers 菜單，然后在最底層看到我們的 hello driver 被標記成星號， 這表示被編譯進內核。
按向下方向鍵，把高亮定位到 Device Drivers ---> ，然后敲回車鍵，進入到 Device Drivers 的配置界面。
按向下方向鍵，一直到最后一個條目，就可以看到我們的 hello 驅動了，如下：
可以看到 hello driver 前面顯示的是型號 *，這表示：該驅動將會編譯進內核。
我們可以按下空格鍵試一下，會在三種標記中切換：型號，M，空值。M 標記意思是編譯成驅動模塊。
我們這里選擇星號(編譯進內核)，然后按下右方向鍵，最下方的幾個按鍵的焦點移動到按鈕上：
按下回車鍵，就會彈出保存對話框，選擇默認保存文件 .config 即可，然后在
此時，在彈出的確認窗口中，選擇
此時，返回到 Device Drivers 的配置界面，在最下面的按鈕中，選擇讓
創建 Makefile 文件
Makefile 文件是make工具的腳本，首先創建它：
- $ cd linux-4.15/drivers/hello
- $ touch Makefile
其中的內容只有一行：
- obj-$(CONFIG_HELLO) += hello.o
- CONFIG_HELLO 可以看做一個變量，在編譯的時候，這個變量的值可能是：y, n 或者 m。
- 在剛才的 Kconfig 參數配置中，CONFIG_HELLO 被設置為 y，于是這句話就被翻譯成：obj-y += hello，表示把 hello 驅動編譯進內核。
現在，hello驅動程序的Makefile已經創建好了，我們還要讓linux內核的編譯框架知道這個文件才行。
在文件 linux-4.15/drivers/Makefile 中的末尾，添加如下內容：
- obj-$(CONFIG_HELLO) += hello/
編譯
萬事俱備，只欠編譯!依次執行如下指令：
- $ cd linux-4.15/
- $ make -j4
make指令執行結束之后，編譯得到的內核中(vmlinux)就包含了我們的hello驅動。
編譯為驅動模塊
編譯為驅動模塊，也有兩種 操作方式：
編譯所有的驅動模塊
- 在執行 make ARCH=x86_64 menuconfig 指令的時候，把 hello 配置成 M;
- 然后在 linux-4.15 中執行編譯模塊指令：make -j4 modules。
編譯成功之后，就可以得到文件： linux-4.15/drivers/hello/hello.ko。
這樣的編譯指令，是把所有的模塊都編譯了一次(在輸出信息中，可以看到編譯了很多模塊)。
只編譯 hello 這一個驅動模塊
另外一種編譯驅動模塊的方式是：進入hello目錄，只編譯這一個驅動模塊。
這種編譯方法，就需要修改hello目錄下的Makefile文件了，內容如下：
可以把 hello 目錄下的所有文件刪除，只保留源文件 hello.c，然后新建 Makefile 文件。
- ifneq ($(KERNELRELEASE),)
- obj-m := hello.o
- else
- KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
- PWD := $(shell pwd)
- default:
- $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
- clean:
- $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
- endif
然后，在hello文件夾中執行make指令，即可得到驅動模塊 hello.ko 。
驗證一下
加載驅動：
- $ cd linux-4.15/drivers/hello
- $ sudo insmod ./hello.ko
此時終端窗口是沒有任何輸出的，需要輸入指令 dmesg | tail ，可以看到 hello_init 函數的輸出內容：
卸載驅動：
- $ sudo rmmod hello
再次輸入 dmesg | tail ，可以看到 hello_exit 函數的輸出內容：
本文轉載自微信公眾號「IOT物聯網小鎮」
