[实验1_kernel]_[2.1_开发Android硬件驱动程序_kernel]
[实验1_kernel]_[2.1_开发Android硬件驱动程序]
开发freg硬件驱动程序_kernel
自己创建freg驱动
freg.h
#ifndef _FAKE_REG_H_
#define _FAKE_REG_H_
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/semaphore.h>
#define FREG_DEVICE_NODE_NAME "freg"
#define FREG_DEVICE_FILE_NAME "freg"
#define FREG_DEVICE_PROC_NAME "freg"
#define FREG_DEVICE_CLASS_NAME "freg"
struct fake_reg_dev {
int val;
struct semaphore sem;
struct cdev dev;
};
#endif
freg.c
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include "freg.h"
/*
freg模块的加载与卸载:
freg_init: 加载，主要用来注册和初始化虚拟硬件设备freg;
freg_exit: 卸载，主要用来反注册和释放虚拟硬件设备freg;
传统设备文件系统接口:
freg_open: 打开
freg_release: 关闭
freg_read: 读;
freg_write: 写;
devfs文件系统接口，将虚拟硬件设备freg的寄存器val当做设备的一个属性，通过读写这个属性就可以达到访问设备的目的。
freg_val_show: 读设备属性val的值;
freg_val_store: 写设备属性val的值;
proc文件系统接口:
freg_proc_read: 读;
freg_proc_write: 写;
freg_create_proc: 创建;
create_proc_entry: 在/proc目录下创建一个文件 ，这种文件用户态将不支持file接口读写，只能用cat命令查看。
freg_remove_proc: 删除;
问：这三种方式的接口，就读和写来说，有什么区别？为什么不是统一成一个函数进行读和写？
三种方式对应不同的硬件驱动设备不一样：
传统设备文件系统接口对应：/dev/freg;
devfs文件系统接口对应: /sys/class/freg/freg;
proc文件系统接口对应: /proc/freg;
因为设备不一样，在创建时对应linux底层接口也不一样，这样就导致了访问时的差异性，最终读写的函数实现也不一样。
**********************************/
/* 主设备号和从设备号变量 */
static int freg_major = 0;
static int freg_minor = 0;
/* 设备类别和设备变量 */
static struct class* freg_class = NULL;
static struct fake_reg_dev* freg_dev = NULL;
/* 传统的设备文件操作方法 */
static int freg_open(struct inode* inode, struct file* filp);
static int freg_release(struct inode* inode, struct file* filp);
static ssize_t freg_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);
static ssize_t freg_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);
/* 传统的设备文件操作方法表 */
static struct file_operations freg_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = freg_open,
.release = freg_release,
.read = freg_read,
.write = freg_write,
};
/* devfs 文件系统的设备属性操作方法 */
static ssize_t freg_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf);
static ssize_t freg_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count);
/* devfs 文件系统的设备属性 */
static DEVICE_ATTR(val, S_IRUGO | S_IWUSR, freg_val_show, freg_val_store);
/* 打开设备方法 */
static int freg_open(struct inode* inode, struct file* filp) {
struct fake_reg_dev* dev;
/* 将自定义设备结构体保存在文件指针的私有数据域中，以便访问设备时可以直接拿来用 */
dev = container_of(inode->i_cdev, struct fake_reg_dev, dev);
filp->private_data = dev;
/* container_of是定义在linux内核kernel.h中的一个宏，
它的作用是根据结构体中某个成员的地址反推出该结构体的地址。
container_of之所以能做到这点，得归功于linux的内存管理方式在逻辑上是连续的这一特性。
*/
return 0;
}
/* 设备文件释放时调用，空实现 */
static int freg_release(struct inode* inode, struct file* filp) {
return 0;
}
/* 读取设备的寄存器val的值 */
static ssize_t freg_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {
ssize_t err = 0;
struct fake_reg_dev* dev = filp->private_data;
/* 同步访问，获得信号量 */
if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
return -ERESTARTSYS;
}
/* int down_interruptible(struct semaphore *sem)
这个函数的功能就是获得信号量，如果得不到信号量就睡眠，此时没有信号打断，那么进入睡眠。
但是在睡眠过程中可能被信号打断，打断之后返回-EINTR，主要用来进程间的互斥同步。
*/
if(count < sizeof(dev->val)) {
goto out;
}
/* 将寄存器val的值复制到用户提供的缓冲区中 */
if(copy_to_user(buf, &(dev->val), sizeof(dev->val))) {
err = -EFAULT;
goto out;
}
/* copy_to_user
unsigned long copy_to_user(void *to, const void *from, unsigned long n);
这个函数的作用是将内核空间的数据复制到用户空间。其中
to：目标地址（用户空间）
from：源地址（内核空间）
n：将要拷贝数据的字节数
返回：成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数
*/
err = sizeof(dev->val);
out:
up(&(dev->sem));
/* 对临界资源访问完毕后，可以调用原子操作up()来释放信号量，该操作会增加信号量的计数器。
如果该信号量上的等待队列不为空，则唤醒阻塞在该信号量上的进程。
*/
return err;
}
/* 写设备的寄存器val的值 */
static ssize_t freg_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {
struct fake_reg_dev* dev = filp->private_data;
ssize_t err = 0;
/* 同步访问，获得信号量 */
if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
return -ERESTARTSYS;
}
if(count != sizeof(dev->val)) {
goto out;
}
/* 将用户提供的缓存区的值写到设备寄存器中 */
if(copy_from_user(&(dev->val), buf, count)) {
err = -EFAULT;
goto out;
}
/* copy_from_user()这个函数的完整形态为
unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n);
这个函数的作用是将用户空间的数据复制到内核空间。其中
to：目标地址（内核空间）
from：源地址（用户空间）
n：将要拷贝数据的字节数
返回：成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数
*/
err = sizeof(dev->val);
out:
up(&(dev->sem));
return err;
}
/* 将寄存器val的值读取到缓冲区buf中，内部使用 */
static ssize_t __freg_get_val(struct fake_reg_dev* dev, char* buf) {
int val = 0;
/* 同步访问，获得信号量 */
if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
return -ERESTARTSYS;
}
val = dev->val;
/* 释放信号量 */
up(&(dev->sem));
return snprintf(buf, PAGE_SIZE, "%d\n", val);
}
/* 将缓冲区buf的值写到设备寄存器val中，内部使用 */
static ssize_t __freg_set_val(struct fake_reg_dev* dev, const char* buf, size_t count) {
int val = 0;
/* 将字符串转换成数字 */
val = simple_strtol(buf, NULL, 10);
/* simple_strtol，把一个字符串转换为一个有符号长整数；*/
/* 同步访问，获得信号量 */
if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
return -ERESTARTSYS;
}
dev->val = val;
/* 释放信号量 */
up(&(dev->sem));
return count;
}
/* 读设备属性val的值 */
static ssize_t freg_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) {
struct fake_reg_dev* hdev = (struct fake_reg_dev*)dev_get_drvdata(dev);
return __freg_get_val(hdev, buf);
}
/* 写设备属性val的值 */
static ssize_t freg_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) {
struct fake_reg_dev* hdev = (struct fake_reg_dev*)dev_get_drvdata(dev);
return __freg_set_val(hdev, buf, count);
}
/* 读取设备寄存器val的值，保存到page缓冲区中 */
static ssize_t freg_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) {
if(off > 0) {
*eof = 1;
return 0;
}
return __freg_get_val(freg_dev, page);
}
/* 把缓冲区的值buff保存到设备寄存器中 */
static ssize_t freg_proc_write(struct file* filp, const char __user *buff, unsigned long len, void* data) {
int err = 0;
char* page = NULL;
if(len > PAGE_SIZE) {
printk(KERN_ALERT"The buff is too large: %lu.\n", len);
return -EFAULT;
}
/* __get_free_page() 分配连续的物理地址，用于整页分配。*/
page = (char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);
if(!page) {
printk(KERN_ALERT"Failed to alloc page.\n");
return -ENOMEM;
}
/* 先把用户提供的缓冲区的值复制到内核缓冲区中 */
if(copy_from_user(page, buff, len)) {
printk(KERN_ALERT"Failed to copy buff from user.\n");
err = -EFAULT;
goto out;
}
/* 自定义函数，把缓冲区buf的值写到设备寄存器val中，内部使用 */
err = __freg_set_val(freg_dev, page, len);
out:
/* 释放内存页，与__get_free_page配对 */
free_page((unsigned long)page);
return err;
}
/* 创建 /proc/freg 文件 */
static void freg_create_proc(void) {
struct proc_dir_entry* entry;
entry = create_proc_entry(FREG_DEVICE_PROC_NAME, 0, NULL);
if(entry) {
entry->owner = THIS_MODULE;
entry->read_proc = freg_proc_read;
entry->write_proc = freg_proc_write;
}
/* create_proc_entry(在/proc目录下创建一个文件 ，
这种文件用户态将不支持file接口读写，只能用cat命令查看) */
}
/* 删除 /proc/freg 文件 */
static void freg_remove_proc(void) {
remove_proc_entry(FREG_DEVICE_PROC_NAME, NULL);
/* remove_proc_entry() 是Linux 内核中用于删除proc 文件系统中某个进程文件的函数。*/
}
/* 初始化设备*/
static int __freg_setup_dev(struct fake_reg_dev* dev) {
int err;
dev_t devno = MKDEV(freg_major, freg_minor);
/* 宏 MKDEV 用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成 dev_t 类型的设备号。*/
memset(dev, 0, sizeof(struct fake_reg_dev));
/* 初始化字符设备 */
cdev_init(&(dev->dev), &freg_fops);
dev->dev.owner = THIS_MODULE;
dev->dev.ops = &freg_fops;
/* void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
功能：用于初始化cdev结构体，并填充其成员ops
参数：cdev：字符设备；fops ：驱动操作函数集合
*/
/* 注册字符设备 */
err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1);
if(err) {
return err;
}
/* cdev_add函数主要是将cdev加入到cdev_map中，然后将cdev的kobject成员的parent对象的kref成员加1 */
/* 初始化信号量和寄存器val的值 */
init_MUTEX(&(dev->sem));
dev->val = 0;
/* Init_MUTEX()函数初始化信号量为互斥量。 互斥量为信号量的特例，它可以防止数据被两个不同系统调用读写。
2.6.25及以后的linux内核版本废除了init_MUTEX函数, 新版本使用sema_init函数; */
return 0;
}
/* 模块加载方法 */
static int __init freg_init(void) {
int err = -1;
dev_t dev = 0;
struct device* temp = NULL;
printk(KERN_ALERT"Initializing freg device.\n");
/* 动态分配主设备号和从设备号 */
err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, FREG_DEVICE_NODE_NAME);
if(err < 0) {
printk(KERN_ALERT"Failed to alloc char dev region.\n");
goto fail;
}
/* alloc_chrdev_region() 函数用于动态申请设备编号范围，这个函数好像并没有检查范围过大的情况，
不过动态分配总是找个空的散列桶，所以问题也不大。通过指针参数返回实际获得的起始设备编号。*/
freg_major = MAJOR(dev);
freg_minor = MINOR(dev);
/* #define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
*/
/* 分配 freg 设备结构体; */
freg_dev = kmalloc(sizeof(struct fake_reg_dev), GFP_KERNEL);
if(!freg_dev) {
err = -ENOMEM;
printk(KERN_ALERT"Failed to alloc freg device.\n");
goto unregister;
}
/* 初始化设备，自定义函数 */
err = __freg_setup_dev(freg_dev);
if(err) {
printk(KERN_ALERT"Failed to setup freg device: %d.\n", err);
goto cleanup;
}
/* 在 /sys/class/ 目录下创建设备类别目录freg */
freg_class = class_create(THIS_MODULE, FREG_DEVICE_CLASS_NAME);
if(IS_ERR(freg_class)) {
err = PTR_ERR(freg_class);
printk(KERN_ALERT"Failed to create freg device class.\n");
goto destroy_cdev;
}
/* class_create动态创建设备的逻辑类，并完成部分字段的初始化，然后将其添加到内核中。
创建的逻辑类位于/sys/class/。 */
/* 在 /dev/ 目录和 /sys/class/freg 目录下分别创建设备文件freg */
temp = device_create(freg_class, NULL, dev, "%s", FREG_DEVICE_FILE_NAME);
if(IS_ERR(temp)) {
err = PTR_ERR(temp);
printk(KERN_ALERT"Failed to create freg device.\n");
goto destroy_class;
}
/* 创建设备文件 device_create();
device_create(led_class, NULL, dev, NULL, NAME);
这个函数用来给应用层mdev在/dev下创建设备节点。*/
/* 在 /sys/class/freg/freg 目录下创建属性文件 val */
err = device_create_file(temp, &dev_attr_val);
if(err < 0) {
printk(KERN_ALERT"Failed to create attribute val of freg device.\n");
goto destroy_device;
}
/* device_create_file，使用这个函数时要引用 device_create 所返回的 device* 指针，
作用是在 /sys/class/ 下创建一个属性文件，从而通过对这个属性文件进行读写就能完成对应的数据操作。
*/
dev_set_drvdata(temp, freg_dev);
/* dev_set_drvdata函数用来设置 device 的私有数据，
dev_get_drvdata函数用来获取 device 的私有数据。
*/
/* 创建 /proc/freg 文件，自定义函数 */
freg_create_proc();
printk(KERN_ALERT"Succedded to initialize freg device.\n");
return 0;
destroy_device:
device_destroy(freg_class, dev); // 清除设备;
/* 函数device_destroy()用于从linux内核系统设备驱动程序模型中移除一个设备，
并删除/sys/devices/virtual目录下对应的设备目录及/dev/目录下对应的设备文件*/
destroy_class:
class_destroy(freg_class); // 清除类;
/* 函数class_destroy()用于删除设备的逻辑类，即从Linux内核系统中删除设备的逻辑类。 */
destroy_cdev:
cdev_del(&(freg_dev->dev)); // 清除设备号;
/* 删除一个cdev，完成字符设备的注册和注销，释放 cdev 占用的内存。*/
cleanup:
kfree(freg_dev);
unregister:
unregister_chrdev_region(MKDEV(freg_major, freg_minor), 1); // 取消注册字符设备;
fail:
return err;
}
/* 模块卸载方法 */
static void __exit freg_exit(void) {
dev_t devno = MKDEV(freg_major, freg_minor);
printk(KERN_ALERT"Destroy freg device.\n");
/* 删除 /proc/freg 文件，自定义函数 */
freg_remove_proc();
/* 销毁设备类别和设备 */
if(freg_class) {
device_destroy(freg_class, MKDEV(freg_major, freg_minor));
class_destroy(freg_class);
}
/* 删除字符设备和释放设备内存 */
if(freg_dev) {
cdev_del(&(freg_dev->dev));
kfree(freg_dev);
}
/* 释放设备号资源 */
unregister_chrdev_region(devno, 1);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("Fake Register Driver");
module_init(freg_init);
module_exit(freg_exit);
Kconfig
config FREG
tristate "Fake Register Driver"
default n
help
This is the freg driver for android system.
三种方式编译：
- 【*】直接内建到内核中；
- 【M】编译成内核模块；
- 【n】不编译到内核中；
Makefile
obj-$(CONFIG_FREG) += freg.o
修改内核Kconfig文件
不配置内核的Kconfig文件，make menuconfig 就找不到我们编写的freg驱动。所以，我们要修改内核的根Kconfig文件，使得编译系统能够找到驱动程序freg的Kconfig文件。
vim arch/arm/Kconfig
menu "Device Drivers"
source "drivers/freg/Kconfig"
...
endmenu
修改内核Makefile文件
不配置内核的Makefile文件，编译系统就无法找到驱动程序freg的Makefile文件，就无法编译freg驱动。
vim drivers/Makefile
// 在文件里面添加如下一行
obj-$(CONFIG_FREG) += freg/
编译内核驱动程序模块
执行 make menuconfig
2，配置freg驱动选项；
- 【Device Drivers】->【Fake Register Driver】使前面方括号中的字符变成 "*"
3，编译：make，输出新的 zImage 文件，就是我们需要的内核镜像文件，在 arch/arm/boot 目录下
goldfish$ make menuconfig
dt@ubuntu:~/goldfish$ export PATH=$PATH:~/2.3.1_r1/prebuilt/linux-x86/toolchain/arm-eabi-4.4.3/bin
dt@ubuntu:~/goldfish$ make
Kernel: arch/arm/boot/zImage is ready
验证内核驱动程序模块
1，使用新的内核镜像文件 zImage 启动Android模拟器，adb连接，确认 freg 设备存在：
dt@ubuntu:~/goldfish$ cp arch/arm/boot/zImage /mnt/hgfs/AndroidEmulator/images/zImage
[win]> pushd d:\AndroidEmulator
[win]> start /b emulator.exe -sysdir d:\AndroidEmulator -system images\system.img -data images\userdata.img -ramdisk images\ramdisk.img -kernel images\zImage -skindir d:\AndroidEmulator\skins -skin HVGA
[win]> adb shell
# ls /dev/freg
/dev/freg
# ls /proc/freg
/proc/freg
# ls /sys/class/freg/freg/val
/sys/class/freg/freg/val
2，proc文件系统验证：
# cat /proc/freg
# echo '5' > /proc/freg
# cat /proc/freg
3，devfs文件系统验证：
# cd /sys/class/freg/freg
# cat val
# echo '2' > val
# cat val
验证成功标准：写入的值，和后续读取的值一致。
开发C可执行程序验证Android硬件驱动程序_aosp
开发C可执行程序来验证驱动程序freg所提供的dev文件系统接口的正确性，通过调用read和write函数读写设备文件 /dev/freg 的内容来实现。
在 Android 源代码工程环境中开发的C可执行程序源文件一般保存在 external 目录中，我们也在 aosp/external 目录中新建 freg 目录，作为我们的源代码路径。
这里有个区别特别说明一下，就是前一节的Android硬件驱动程序是在 kernel 源码里面，现在写的 C 可执行程序，在 aosp 源码里面。
开发可执行程序
freg.c
// 文件路径: aosp/external/freg/freg.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#define FREG_DEVICE_NAME "/dev/freg"
int main(int argc, char** argv)
{
int fd = -1;
int val = 0;
fd = open(FREG_DEVICE_NAME, O_RDWR);
/* 调用 open 函数，以读写方式打开设备文件 /dev/freg; */
if(fd == -1)
{
printf("Failed to open device %s.\n", FREG_DEVICE_NAME);
return -1;
}
printf("Read original value:\n");
read(fd, &val, sizeof(val));
/* 调用 read 函数，读取虚拟硬件设备freg的寄存器val的内容; */
printf("%d.\n\n", val);
val = 5;
printf("Write value %d to %s.\n\n", val, FREG_DEVICE_NAME);
write(fd, &val, sizeof(val));
/* 调用 write 函数，将整数 5 写入到虚拟硬件设备freg的寄存器val中; */
printf("Read the value again:\n");
read(fd, &val, sizeof(val));
/* 读取刚才我们写入的值，并打印出来; */
printf("%d.\n\n", val);
close(fd);
return 0;
}
Android.mk
LOCAL_PATH := $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_MODULE_TAGS := optional
LOCAL_MODULE := freg
LOCAL_SRC_FILES := $(call all-subdir-c-files)
include $(BUILD_EXECUTABLE)
Anddroid.mk最后一行，include命令后面跟的参数的值为 $(BUILD_EXECUTABLE)，表示当前要编译的是一个可执行应用程序模块，并且编译后的文件，最终在系统的 /system/bin 目录下。
编译freg可执行文件
dt@ubuntu:~/2.3.1_r1$ export PATH=$PATH:/home/dt/2.3.1_r1/out/host/linux-x86/bin
dt@ubuntu:~/2.3.1_r1$ source build/envsetup.sh
including device/htc/passion/vendorsetup.sh
including device/samsung/crespo/vendorsetup.sh
dt@ubuntu:~/2.3.1_r1$ mmm ./external/freg/
============================================
PLATFORM_VERSION_CODENAME=REL
PLATFORM_VERSION=2.3.1
TARGET_PRODUCT=generic
TARGET_BUILD_VARIANT=eng
TARGET_SIMULATOR=
TARGET_BUILD_TYPE=release
TARGET_BUILD_APPS=
TARGET_ARCH=arm
HOST_ARCH=x86
HOST_OS=linux
HOST_BUILD_TYPE=release
BUILD_ID=GRH78
============================================
make: Entering directory `/home/dt/2.3.1_r1'
target Non-prelinked: freg (out/target/product/generic/symbols/system/bin/freg)
Install: out/target/product/generic/system/bin/freg
make: Leaving directory `/home/dt/2.3.1_r1'
dt@ubuntu:~/2.3.1_r1$ make snod
Target system fs image: out/target/product/generic/system.img
测试验证
dt@ubuntu:~/2.3.1_r1$ cp out/target/product/generic/system.img /mnt/hgfs/AndroidEmulator/images/system.img
[win]> pushd d:\AndroidEmulator
[win]> start /b emulator.exe -sysdir d:\AndroidEmulator -system images\system.img -data images\userdata.img -ramdisk images\ramdisk.img -kernel images\zImage -skindir d:\AndroidEmulator\skins -skin HVGA
[win]> adb shell
# ls system/bin/freg
system/bin/freg
# system/bin/freg
Read original value:
0.
Write value 5 to /dev/freg.
Read the value again:
5.