[架构之路-35]：目标系统 - 系统软件 - Linux OS内核模块与内核设备驱动程序，一切皆文件，Linux虚拟文件系统与统一设备模型

目录

​​前言：​​

​​第1章 嵌入式系统概述​​

​​1.1 什么是嵌入式系统​​

​​1.2 嵌入式系统的架构​​

​​第2章 内核驱动程序架构 ​​

​​2.1 什么驱动程序​​

​​2.2 驱动程序的作用​​

​​2.3 Linux下的内核硬件设备驱动程序​​

​​第3章 Linux驱动工程师学习路径​​

​​3.1 成长之路与必备的知识​​

​​3.2 C语言基础​​

​​3.3 自底向上的构建Linux系统​​

​​3.4 字符设备的层次结构​​

​​3.5 网络驱动的层次结构​​

​​第4章 内核模块的动态加载​​

​​4.1 什么是内核模块​​

​​4.2 内核模块的动态加载与静态编译比较​​

​​4.3 内核模块的源代码示例​​

​​4.4 Linux内核模块程序结构​​

​​4.5 Makefile与内核模块的编译​​

​​5.6 内核模块的shell操作命令​​

​​第5章 一切皆文件，Linux虚拟文件系统与统一设备模型​​

​​5.1 什么是文件​​

​​5.2 文件的组织方式：树型结构与Linux虚拟文件系统​​

​​5.3 硬件设备的树型组织方式：设备树​​

​​5.4 设备也是文件​​

​​5.4 虚拟文件系统的用户空间接口​​

​​5.5 虚拟文件系统的内核程序​​

​​5.6 虚拟文件系统与Dev文件系统​​

​​5.7 虚拟文件系统与SYSFS/PROC​​

前言：

在实际嵌入式系统中，大多数时候并不需要修改和编写Linux操作系统的代码，而是需要为自己的嵌入式硬件系统编写Linux的设备驱动程序。这是因为，实际的不同应用的嵌入式系统，其硬件设备是不同的，Linux自带的设备驱动程序往往无法满足自身系统的需要。因此，会花几篇文章重点介绍一下Linux下的设备驱动程序。

第1章 嵌入式系统概述

1.1 什么是嵌入式系统

1.2 嵌入式系统的架构

第2章 内核驱动程序架构 

2.1 什么驱动程序

驱动程序一般指的是​​设备驱动程序​​​（Device Driver），是一种可以使​​计算机​​​和​​设备​​​进行相互通信的​​特殊程序​​​。相当于​​硬件​​​的接口，​​操作系统​​只有通过设备驱动程序这个接口，才能控制硬件设备的工作，假如某设备的驱动程序未能正确安装，便不能正常工作。

因此，驱动程序被比作“ 硬件的灵魂”、“硬件的主宰”、“硬件和系统之间的桥梁”等。

内存也是一种特殊的硬件设备，内存的驱动程序是Linux操作系统自带的，不需要设备厂家额外编写硬件驱动程序。内存的驱动程序包括：uboot、Linux对内存控制器的初始化、Linux内部的内存管理单元MMU。

应用程序只需要通过内存地址就可以直接访问普通的RAM内存。

对于FLASH内存，可以直接通过地址进行“读”访问，但必须要通过特定的驱动程序才能进行"写"访问。

2.2 驱动程序的作用

没有操作系统的单片机就是采用的上述架构。

Linux环境下，采用的就是上述架构。

2.3 Linux下的内核硬件设备驱动程序

（1）Linux设备驱动程序与Linux内核模块

 （2）Linux设备驱动程序在内核中的位置

 （3）Linux设备驱动程序的特点

第3章 Linux驱动工程师学习路径

3.1 成长之路与必备的知识

（1）嵌入式系统的组成

（2）硬件基础

• 必须熟悉硬件电路的基本组成与原理
• 熟悉SOC芯片的架构与工作原理
• 熟悉特定硬件设备的硬件接口协议
• 熟悉芯片手册

（3）内核编程与编程语言

• Linux系统内核架构
• Linux启动流程
• 汇编语言基础
• C语言基础
• 数据结构基础

（4）Linux设备模型与设备树

（5）Linux驱动程序模型

（6）Linux驱动的主要思想

3.2 C语言基础

3.3 自底向上的构建Linux系统

（1）自底向上构建驱动程序，为应用程序提供访问特定硬件设备的服务。

（2）设备驱动程序的根基是硬件

（3）设备驱动程序运行在内核空间，以两种方式存在：

• 可以动态插入和去除的内核模块
• 与Linux内核的基础代码编译在一起

3.4 字符设备的层次结构

字符设备是Linux内核驱动中，种类最多的一种硬件设备。

3.5 网络驱动的层次结构

第4章 内核模块的动态加载

Linux的大部分的驱动程序是以内核模块的方式存在的。

4.1 什么是内核模块

Linux内核的整体架构本就非常庞大，其包含的组件也非常多，而我们怎样把需要的部分都包含在内核中呢？

如果把需要的所有功能都编译到Linux内核中。这会导致两个问题，一是生成的内核会很大，二是如果我们要在现有的内核中新增或删除功能，将不得不重新编译内核。

有没有另一种机制可使得编译出的内核本身并不需要包含所有功能，而这些功能需要被使用的时候，其对应的代码被动态地加载到内核中呢？

Linux提供了这样的机制，这种机制被称为模块（module）。

模块具有这样的特点：

• 模块本身不被编译人内核映像，从而控制了内核的大小。
• 模块一旦被加载，它就和内核中的其他部分完全一样。

4.2 内核模块的动态加载与静态编译比较

4.3 内核模块的源代码示例

（1）案例1

（2）案例2

/*
 * a simple kernel module: hello world
 * 
 * Copyright (C) 2022 liefyuan (liefyuan@qq.com)
 * 
 * Licensed under GPL v2 or later
 */
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

static int __init hello_init(void)
{
  printk(KERN_INFO "Hello World enter\n");
  return 0;
}

module_init(hello_init);

static void __exit hello_exit(void)
{
  printk(KERN_INRO "Hello World exit\n");
}
module_exit(hello_exit);

MODULE_AUTHOR("Lief Yuan <liefyuan@qq.com>");
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Module");
MODULE_ALIAS("a simplest module");

4.4 Linux内核模块程序结构

一个Linux内核模块主要由如下几个部分组成：

（1）模块加载函数：module_init
当通过insmod或modprobe命令加载内核模块时，模块的加载函数会自动被内核执行，完成本模块的相关初始化工作。

（2）模块卸载函数：module_exit
当通过rmmod命令卸载某模块时，模块的卸载函数会自动被内核执行，完成与模块加载函数相关的功能。

（3）模块许可证声明：MODULE_LICENSE
许可证（LICENSE）声明描述内核模块的许可权限，如果不声明LICENSE，模块被加载时，将收到内核被污染（Kernel Tainted）的警告。

（4）模块参数（可选）：module_param
模块参数是模块被加载的时候可以传递给它的值，它本身对应模块内部的全局变量。

（5）模块导出符号（可选）：export symbol
内核模块可以导出的符号（symbol，对应于函数或变量），若导出，其他模块则可以使用本模块中的变量或函数。

（6）模块作者等信息声明（可选）：MODULE_DESCRIPTION

4.5 Makefile与内核模块的编译

（1）案例1

（2）案例2

KERNEL_DIR := "....."
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := led.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
  $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules

clean:
  $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

• 第1行，指定内核源码文件目录，使用绝对路径
• 第2行，CURRENT_PATH 表示当前路径，直接通过运行“pwd”命令来获取当前所处路径
• 第3行，obj-m 表示将 led.c 这个文件编译为 led.ko 模块
• 第8行，具体的编译命令，后面的 modules 表示编译模块，-C 表示将当前的工作目录切换到指定目录中，也就是 KERNERLDIR 目录。M 表示模块源码目录，“make modules”命令
• 中加入 M=dir 以后程序会自动到指定的 dir 目录中读取模块的源码并将其编译为.ko 文件。

>> make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j16

5.6 内核模块的shell操作命令

Linux的模块，以两种方式进入内核：

• 静态编译、连接
• 动态编译、动态插入

（1）查看当前加载的全部模块

>> lsmod

（2）检测模块是否加载

>>  ismod

（3）加载新模块

>>  insmod

（4）尝试性加载模块

>> modprobe

modprobe和insmod类似，都是用来动态加载驱动模块的，区别在于modprobe可以解决load module的依赖关系，它是通过 /lib/modules/`uname -r`/modules.dep和modules.deo.bb文件来查找依赖关系的；而insmod不能解决依赖关系。

（5）显示模块信息

>> modinfo

（6）卸载模块

>>  rmmod

第5章 一切皆文件，Linux虚拟文件系统与统一设备模型

5.1 什么是文件

狭义的文件是指：存储计算机硬盘设备上的信息的组织方式，狭义的文件可以是​​文本文档​​​、​​图片​​​、​​程序​​等等。

广义的文件是指：存储计算机系统上的信息的组织方式，包括存储在硬盘设备上的信息，存储设备在内存中的信息，甚至可以是存在所有硬件设备中的信息。

Linux中文件，最初是狭义的文件内涵，后来扩展成了广义的文件内涵。

因此，在Linux中，有一句话是这样的：“一切皆文件：everything is file”。

5.2 文件的组织方式：树型结构与Linux虚拟文件系统

5.3 硬件设备的树型组织方式：设备树

一个复杂的嵌入式系统，会支持大量的硬件设备，是按照偏平的方式管理所有的硬件设备，还是分层的方式组织和管理硬件设备呢？

在Linux系统中，采用的是后者，即分层的方式组织硬件设备，在Linux系统中，称为设备树。

5.4 设备也是文件

在Linux中，硬件系统总的总线、总线上的设备，也是以文件的方式来组织和呈现的。

 （1）mnt：被映射成硬盘驱动器的硬件设备。

（2）dev：被映射成文件的硬件设备。

（3）sys：被映射成文件的系统信息

（4）proc：被映射成文件的内核信息

（5）temp：内存中的临时性文件，掉电消失

（6）var：经常变化的各种多用户共享文件

（7）bin、sbin：相对稳定不变的系统文件

5.5 虚拟文件系统的用户空间接口

5.6 虚拟文件系统的内核程序

5.7 虚拟文件系统与Dev文件系统

DevFS文件系统是挂接在虚拟文件系统之下的。

5.8 虚拟文件系统与SYSFS/PROC

SYSFS/PROC文件系统是挂接在虚拟文件系统之下的。