本文檔概述了利用Linux開發(fā)板為 Linux 內核開發(fā)驅動程序的基礎知識，并簡單介紹了如何配置和操作 Linux 驅動程序開發(fā)板。

一 開發(fā)背景

驅動是什么?

驅動程序是駐留在內核中的一段軟件，它促進主機設備和外圍設備之間的交互。這些外圍設備可以像鼠標或鍵盤一樣普通。我們?yōu)槲覀兊漠a(chǎn)品編寫驅動程序軟件以便于和各種類型的主機設備進行通信。

Linux內核是什么?

Linux內核是構成Linux操作系統(tǒng)的核心代碼。 常見的基于 Linux 內核構建的高級操作系統(tǒng) (HLOS) 有 Ubuntu、Android 和 Yocto。一個計算機系統(tǒng)是一個硬件和軟件的共生體，它們互相依賴，不可分割。計算機的硬件，含有外圍設備、處理器、內存、硬盤和其他的電子設備組成計算機的發(fā)動機。但是沒有軟件來操作和控制它，自身是不能工作的。完成這個控制工作的軟件就稱為操作系統(tǒng)，在Linux的術語中被稱為“內核”，也可以稱為“核心”。Linux內核的主要模塊(或組件)分以下幾個部分：存儲管理、CPU和進程管理、文件系統(tǒng)、設備管理和驅動、網(wǎng)絡通信，以及系統(tǒng)的初始化(引導)、系統(tǒng)調用等。內核的開發(fā)由維護人員來監(jiān)督，維護者擁有內核各個部分的開發(fā)權，任何添加到內核各自部分的代碼都必須發(fā)送給他們。 這個通過維護者向內核提交代碼的過程稱為上游。

二 環(huán)境搭建

1. 軟件環(huán)境的搭建

強烈建議使用專用的 Linux 機器來進行驅動程序的開發(fā)。 除了 Windows PC 之外，使用 Linux 機器或使用 Linux 機器作為主計算機是驅動程序開發(fā)的理想配置。不建議在 Windows 中運行 Linux 虛擬機，除非用戶具有設置和維護虛擬機的背景，否則可能會出現(xiàn)兼容性和存儲的問題。

2. 硬件設備的連接

圖1. Linux驅動開發(fā)過程中硬件設備的連接示意圖

硬件設備的連接較為簡單，其中，Linux機器通過USB to OTG和USB to TTL的轉接線相連，Linux開發(fā)板通過I2C總線和I2S總線與目標設備相連以完成驅動的開發(fā)。USB to TTL模塊的作用就是把通信電平轉換到Linux主機和Linux開發(fā)板都能識別的電平進行通信。

3. Linux操作系統(tǒng)中的常用工具

Gedit

Gedit 是一個基于 GUI 的文本編輯器，具有軟件開發(fā)的一些基本功能。 Gedit 可以用作純文本編輯器，也可以把它用來當成是一個集成開發(fā)環(huán)境 (IDE), 它會根據(jù)不同的語言高亮顯現(xiàn)關鍵字和標識符。

Picocom

Picocom 是一個常見的串口調試工具，可以在 Linux 終端窗口中運行。利用Picocom可以通過串口通信協(xié)議與 Linux開發(fā)板進行通信和操作。

Nano

Nano 是一個基于命令行的文本編輯器。 Nano 提供最基礎的文本編輯功能，用于在終端內進行編輯。 在 Ubuntu 中，Nano 是默認的命令行文本編輯器。

三 Linux驅動開發(fā)

1. 概述

圖2. Linux驅動開發(fā)流程及主要開發(fā)文件

針對Linux驅動的開發(fā)，有3大類型的文件是必不可少的，其中一部分就是最基礎的驅動文件(The driver files)，驅動文件中包含了驅動本身的文件后綴為.C的源代碼和.H的頭文件，以及Kconfig文件和Makefile文件，其中，Kconfig文件的作用是當我們編譯Linux內核時，我們會發(fā)現(xiàn)有的模塊被編譯進了內核，有的只是生成了一個個模塊。因此，我們如何讓內核發(fā)現(xiàn)我們編寫的模塊呢?這就需要在Kconfig文件中進行定義說明。至于如何生成模塊，那么就需要利用Makefile文件告訴編譯器，怎么編譯生成這個模塊。另一個部分就是我們的設備樹文件(Devicetree files)，所以什么是設備樹文件呢?其實在沒有設備樹文件以前，我們需要將Linux開發(fā)板的信息硬編碼到內核的.C源文件中。不同開發(fā)板的硬件配置不一樣，因此內核中存在大量的板級配置源碼，從而會造成代碼冗余。因此針對這個現(xiàn)象，我們可以用設備樹的方法將板級配

置信息獨立的存放到.dts/.dtsi文件中。此時，針對不同的開發(fā)板，只需要配置相應的.dts/.dtsi文件即可，這樣可以避免大量重復的編碼工作，但是如果更換Linux開發(fā)板那么就需要更換相對應的設備樹文件進行配置。最后一部分我們需要的文件就是作為參考文檔的說明文檔(Reference documentation)，這個參考文檔中會對如何配置設備樹文件做出定義，是我們編寫設備樹文件時必須參考的說明文檔。驅動文件(The driver files)經(jīng)過編譯會生成名為zImage的鏡像編譯文件，設備樹文件(Devicetree files)經(jīng)過編譯會生成文件后綴為.dtb的二進制文件，在成功的通過編譯得到這兩個文件后，我們就可以將這兩個文件燒錄到我們的Linux開發(fā)板中，這就是我們Linux驅動開發(fā)的原理過程。

2. 開發(fā)驅動源代碼、Makefile和Kconfig文件

要開始開發(fā)驅動程序源代碼、Makefile 和 Kconfig 文件，用戶必須導航到內核中驅動程序所在的目錄。 進入該目錄后，創(chuàng)建一個適當?shù)脑创a文件并打開現(xiàn)有的 Kconfig 和 Makefile 文件。在 Kconfig 文件中，開發(fā)人員需要為設備驅動程序創(chuàng)建一個條目，這個條目向內核描述了設備需要的驅動程序，并專門列出了驅動程序的依賴項。在 Makefile 文件中，開發(fā)人員同樣需要為設備驅動程序創(chuàng)建一個條目，該條目負責告訴編譯器需要從驅動源代碼創(chuàng)建哪些目標文件。雖然驅動源代碼對于所要開發(fā)的驅動程序和開發(fā)人員來說是獨一無二的，但每個驅動程序都有相似的流程。首先，設備必須在一系列模塊表中注冊。例如，of_device_idtable 用于將設備實例與設備樹文件匹配，i2c_device_idtable 用于建立 I2C 通信，acpi_device_table 用于 ACPI 系統(tǒng)。所有模塊表都由最終的 module_i2c_driver 表鏈接。在建立模塊表之后，驅動程序會執(zhí)行probe() 函數(shù)，在此函數(shù)中，驅動程序檢查設備是否可用和可配置，如果設備可用，則為驅動程序分配資源。如果設備不可用，則函數(shù)應返回錯誤并釋放任何已分配的資源。在此之后，init() 函數(shù)將分別運行并獲取和設置可以在用戶空間中配置和讀取的屬性。

3. 開發(fā)Defconfig和Devicetree文件

Defconfig 和 Devicetree 文件特定用于開發(fā)人員用來驗證驅動程序的平臺。Defconfig 確定編譯內核時要在內核中安裝或啟用哪些模塊。開發(fā)者可以選擇手動編輯設備樹或使用 pinmux 工具生成設備樹代碼。

4. 說明文檔 / dt-bindings

說明文檔描述了如何操作和配置設備驅動程序。 此文檔應提供設備驅動程序及其驅動設備的簡要說明。 在簡要說明之后，會列出驅動程序的屬性。其中最重要的屬性即 compatible 屬性。 所有兼容的實例都列在其中。 在 compatible 屬性之后，用戶將列出所有可配置的屬性。在每個屬性中，開發(fā)人員需提供屬性的簡要說明，指導用戶如何配置該屬性。

結語

本文簡要介紹了如何利用Linux開發(fā)板為 Linux 內核開發(fā)驅動程序的原理和基礎過程，要了解更多關于Linux驅動開發(fā)相關的詳細信息，請參閱“Third Edition of Linux Device Drivers”或“The Linux Kernel Module Programming Guide”，以便更加深入地了解該主題。

審核編輯：湯梓紅