Ubuntu中为Android系统上编写Linux内核驱动程序实现方法
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android源码 在ubuntu上下载,编译和安装和在android内核源码 在ubuntu上下载,编译,安装(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:
#ifndef _hello_android_h_ #define _hello_android_h_ #include <linux/cdev.h> #include <linux/semaphore.h> #define hello_device_node_name "hello" #define hello_device_file_name "hello" #define hello_device_proc_name "hello" #define hello_device_class_name "hello" struct hello_android_dev { int val; struct semaphore sem; struct cdev dev; }; #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:
#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 "hello.h" /*主设备和从设备号变量*/ static int hello_major = 0; static int hello_minor = 0; /*设备类别和设备变量*/ static struct class* hello_class = null; static struct hello_android_dev* hello_dev = null; /*传统的设备文件操作方法*/ static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp); static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp); static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos); static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos); /*设备文件操作方法表*/ static struct file_operations hello_fops = { .owner = this_module, .open = hello_open, .release = hello_release, .read = hello_read, .write = hello_write, }; /*访问设置属性方法*/ static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf); static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count); /*定义设备属性*/ 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:
/*打开设备方法*/ static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp) { struct hello_android_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,以便访问设备时拿来用*/ dev = container_of(inode->i_cdev, struct hello_android_dev, dev); filp->private_data = dev; return 0; } /*设备文件释放时调用,空实现*/ static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp) { return 0; } /*读取设备的寄存器val的值*/ static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) { ssize_t err = 0; struct hello_android_dev* dev = filp->private_data; /*同步访问*/ if(down_interruptible(&(dev->sem))) { return -erestartsys; } if(count < sizeof(dev->val)) { goto out; } /*将寄存器val的值拷贝到用户提供的缓冲区*/ if(copy_to_user(buf, &(dev->val), sizeof(dev->val))) { err = -efault; goto out; } err = sizeof(dev->val); out: up(&(dev->sem)); return err; } /*写设备的寄存器值val*/ static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) { struct hello_android_dev* dev = filp->private_data; ssize_t err = 0; /*同步访问*/ if(down_interruptible(&(dev->sem))) { return -erestartsys; } if(count != sizeof(dev->val)) { goto out; } /*将用户提供的缓冲区的值写到设备寄存器去*/ if(copy_from_user(&(dev->val), buf, count)) { err = -efault; goto out; } err = sizeof(dev->val); out: up(&(dev->sem)); return err; }
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:
/*读取寄存器val的值到缓冲区buf中,内部使用*/ static ssize_t __hello_get_val(struct hello_android_dev* dev, char* buf) { int val = 0; /*同步访问*/ if(down_interruptible(&(dev->sem))) { return -erestartsys; } val = dev->val; up(&(dev->sem)); return snprintf(buf, page_size, "%d\n", val); } /*把缓冲区buf的值写到设备寄存器val中去,内部使用*/ static ssize_t __hello_set_val(struct hello_android_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); /*同步访问*/ if(down_interruptible(&(dev->sem))) { return -erestartsys; } dev->val = val; up(&(dev->sem)); return count; } /*读取设备属性val*/ static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) { struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev); return __hello_get_val(hdev, buf); } /*写设备属性val*/ static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) { struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev); return __hello_set_val(hdev, buf, count); }
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:
/*读取设备寄存器val的值,保存在page缓冲区中*/ static ssize_t hello_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) { if(off > 0) { *eof = 1; return 0; } return __hello_get_val(hello_dev, page); } /*把缓冲区的值buff保存到设备寄存器val中去*/ static ssize_t hello_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; } 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值拷贝到内核缓冲区中去*/ if(copy_from_user(page, buff, len)) { printk(kern_alert"failed to copy buff from user.\n"); err = -efault; goto out; } err = __hello_set_val(hello_dev, page, len); out: free_page((unsigned long)page); return err; } /*创建/proc/hello文件*/ static void hello_create_proc(void) { struct proc_dir_entry* entry; entry = create_proc_entry(hello_device_proc_name, 0, null); if(entry) { entry->owner = this_module; entry->read_proc = hello_proc_read; entry->write_proc = hello_proc_write; } } /*删除/proc/hello文件*/ static void hello_remove_proc(void) { remove_proc_entry(hello_device_proc_name, null); }
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:
static int __hello_setup_dev(struct hello_android_dev* dev) { int err; dev_t devno = mkdev(hello_major, hello_minor); memset(dev, 0, sizeof(struct hello_android_dev)); cdev_init(&(dev->dev), &hello_fops); dev->dev.owner = this_module; dev->dev.ops = &hello_fops; /*注册字符设备*/ err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1); if(err) { return err; } /*初始化信号量和寄存器val的值*/ init_mutex(&(dev->sem)); dev->val = 0; return 0; } /*模块加载方法*/ static int __init hello_init(void){ int err = -1; dev_t dev = 0; struct device* temp = null; printk(kern_alert"initializing hello device.\n"); /*动态分配主设备和从设备号*/ err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, hello_device_node_name); if(err < 0) { printk(kern_alert"failed to alloc char dev region.\n"); goto fail; } hello_major = major(dev); hello_minor = minor(dev); /*分配helo设备结构体变量*/ hello_dev = kmalloc(sizeof(struct hello_android_dev), gfp_kernel); if(!hello_dev) { err = -enomem; printk(kern_alert"failed to alloc hello_dev.\n"); goto unregister; } /*初始化设备*/ err = __hello_setup_dev(hello_dev); if(err) { printk(kern_alert"failed to setup dev: %d.\n", err); goto cleanup; } /*在/sys/class/目录下创建设备类别目录hello*/ hello_class = class_create(this_module, hello_device_class_name); if(is_err(hello_class)) { err = ptr_err(hello_class); printk(kern_alert"failed to create hello class.\n"); goto destroy_cdev; } /*在/dev/目录和/sys/class/hello目录下分别创建设备文件hello*/ temp = device_create(hello_class, null, dev, "%s", hello_device_file_name); if(is_err(temp)) { err = ptr_err(temp); printk(kern_alert"failed to create hello device."); goto destroy_class; } /*在/sys/class/hello/hello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."); goto destroy_device; } dev_set_drvdata(temp, hello_dev); /*创建/proc/hello文件*/ hello_create_proc(); printk(kern_alert"succedded to initialize hello device.\n"); return 0; destroy_device: device_destroy(hello_class, dev); destroy_class: class_destroy(hello_class); destroy_cdev: cdev_del(&(hello_dev->dev)); cleanup: kfree(hello_dev); unregister: unregister_chrdev_region(mkdev(hello_major, hello_minor), 1); fail: return err; } /*模块卸载方法*/ static void __exit hello_exit(void) { dev_t devno = mkdev(hello_major, hello_minor); printk(kern_alert"destroy hello device.\n"); /*删除/proc/hello文件*/ hello_remove_proc(); /*销毁设备类别和设备*/ if(hello_class) { device_destroy(hello_class, mkdev(hello_major, hello_minor)); class_destroy(hello_class); } /*删除字符设备和释放设备内存*/ if(hello_dev) { cdev_del(&(hello_dev->dev)); kfree(hello_dev); } /*释放设备号*/ unregister_chrdev_region(devno, 1); } module_license("gpl"); module_description("first android driver"); module_init(hello_init); 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。
后续继续整理相关文章资料,希望能帮助研究android源码的朋友,谢谢大家支持!