Android 第一个驱动之 word_count
Android本质上是基于Linux内核的系统，也就是说Android就是一种Linux操作系统。只不过大多数时候都会运行在ARM架构的设备上，例如，Android手机、平板等。驱动可以安装在Android模拟器、Android手机（需要root）或平板上（这些设备都要使用给予ARM架构的CPU），当然，使用传统的GCC也可以编译成X86架构的驱动（并不需要修改代码），这样也可以在Ubuntu Linux上安装Linux驱动。
一、Linux驱动到底是个什么东西
对于从未接触过驱动开发的程序员可能会感觉Linux驱动很神秘。感觉开发起来会很复杂。其实这完全是误解。实际上Linux驱动和普通的LinuxAPI没有本质的区别。只是使用Linux驱动的方式与使用Linux API的方式不同而已。
在学习Linux驱动之前我们先来介绍一下Linux驱动的工作方式。如果读者以前接触过Windows或其他非Unix体系的操作系统，最好将它们的工作方式暂时忘掉，因为这些记忆会干扰我们理解Linux底层的一些细节。
Linux驱动的工作和访问方式是Linux的亮点之一，同时受到了业界的广泛好评。Linux系统将每一个驱动都映射成一个文件。这些文件称为设备文件或驱动文件，都保存在/dev目录中。这种设计理念使得与Linux驱动进行交互就像与普通文件进行交互一样容易。当然，也比访问LinuxAPI更容易。由于大多数Linux驱动都有与其对应的设备文件，因此与Linux驱动交换数据就变成了与设备文件交换数据。例如，向Linux打印机驱动发送一个打印命令，可以直接使用C语言函数open打开设备文件，再使用C语言函数ioctl向该驱动的设备文件发送打印命令。
当然，要编写Linux驱动程序还需要更高级的功能。如向打印机驱动写入数据时，对于打印机驱动来说，需要接收这些被写入的数据，并将它们通过PC的并口、USB等端口发送给打印机。要实现这一过程就需要Linux驱动可以响应应用程序传递过来的数据。这就是Linux 驱动的事件，虽然在C语言里没有事件的概念，但却有与事件类似的概念，这就是回调（callback）函数。因此，编写Linux驱动最重要的一步就是编写回调函数，否则与设备文件交互的数据将无法得到处理。图6-1是应用软件、设备文件、驱动程序、硬件之间的关系。
二、编写Linux驱动程序的步骤
Linux驱动程序与其他类型的Linux程序一样，也有自己的规则。对于刚开始接触Linux驱动开发的读者可能对如何开发一个LInux驱动程序还不是太了解。为了解决这部分读者的困惑，本节给出了编写一个基本的Linux驱动的一般步骤。读者可以按着这些步骤循序渐进地学习Linux驱动开发。
第1步：建立Linux驱动骨架（装载和卸载Linux驱动）
任何类型的程序都有一个基本的结构，例如，C语言需要有一个入口函数main。Linux驱动程序也不例外。Linux内核在使用驱动时首先需要装载驱动。在装载过程中需要进行一些初始化工作，例如，建立设备文件，分配内存地址空间等。当Linux系统退出时需要卸载Linux驱动，在卸载的过程中需要释放由Linux驱动占用的资源，例如，删除设备文件、释放内存地址空间等。在Linux驱动程序中需要提供两个函数来分别处理驱动初始化和退出的工作。这两个函数分别用module_init和module_exit宏指定。Linux驱动程序一般都都需要指定这两个函数，因此包含这两个函数以及指定这两个函数的两个宏的C程序文件也可看作是Linux驱动的骨架。
第2步：注册和注销设备文件
任何一个Linux驱动都需要有一个设备文件。否则应用程序将无法与驱动程序交互。建立设备文件的工作一般在第1步编写的处理Linux初始化工作的函数中完成。删除设备文件一般在第1步编写的处理Linux退出工作的函数中完成。可以分别使用misc_register和misc_deregister函数创建和移除设备文件。
第3步：指定与驱动相关的信息
驱动程序是自描述的。例如，可以通过modinfo命令获取驱动程序的作者姓名、使用的开源协议、别名、驱动描述等信息。这些信息都需要在驱动源代码中指定。通过MODULE_AUTHOR、MODULE_LICENSE 、MODULE_ALIAS 、MODULE_DESCRIPTION等宏可以指定与驱动相关的信息。
第4步：指定回调函数
Linux驱动包含了多种动作，也可称为事件。例如，向设备文件写入数据时会触发“写”事件，Linux系统会调用对应驱动程序的write回调函数，从设备文件读数据时会触发“读”事件，Linux系统会调用对应驱动程序的read回调函数。一个驱动程序并不一定要指定所有的回调函数。回调函数会通过相关机制进行注册。例如，与设备文件相关的回调函数会通过misc_register函数进行注册。
第5步：编写业务逻辑
这一步是Linux驱动的核心部分。光有骨架和回调函数的Linux驱动是没有任何意义的。任何一个完整的Linux驱动都会做一些与其功能相关的工作，如打印机驱动会向打印机发送打印指令。COM驱动会根据传输数率进行数据交互。具体的业务逻辑与驱动的功能有关。业务逻辑可能有多个函数、多个文件甚至是多个Linux驱动模块组成。具体的实现读者可以根据实际情况而定。
第6步：编写Makefile文件
Linux内核源代码的编译规则是通过Makefile文件定义的。因此编写一个新的Linux驱动程序必须要有一个Makefile文件。
第7步：编译Linux驱动程序
Linux驱动程序可以直接编译进内核，也可以作为模块单独编译。
第8步：安装和卸载Linux驱动
如果将Linux驱动编译进内核，只要Linux使用该内核，驱动程序就会自动装载。如果Linux驱动程序以模块单独存在，需要使用insmod或modprobe命令装载Linux驱动模块，使用rmmod命令卸载Linux驱动模块。
上面8步中的前5步是关于如何编写Linux驱动程序的，通过后3步可以使Linux驱动正常工作。
三、编写Linux驱动程序前的准备工作
本例的Linux驱动源代码并未与linux内核源代码放在一起，而是单独放在一个目录。首先使用下面的命令建立存放Linux驱动程序的目录。
home 目录下 随便你自己创建好了，mkdir -p driver/word_count，cd driver/word_count
编写 word_count.c
然后编写 Makefile
1 obj-m := word_count.o
2 KERNELDIR := /usr/src/linux-headers-4.15.0-117-generic/
3 PWD := $(shell pwd)
4 all:
5 make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
6 clean:
7 make -C $(KERNELDIR) M=$(pwd) clean
其中 obj-m 表示将 Linux 驱动作为模块（.ko文件）编译。如果使用 obj-y，则将 Linux 驱动编译进 Linux 内核。obj-m 或obj-y 需要使用 “:=” 赋值。如果 obj-m 或 obj-y 的值为 word_count.o，表示 make 命令会把 Linux 驱动源代码目录中的 word_count.c 或 word_count.s 文件编译成 word_count.o 文件。如果使用 obj-m，word_count.o 会被连接进word_count.ko 文件，然后使用 insmod 或 modprobe 命令装载 word_count.ko。如果使用 obj-y，word_count.o 会被连接进 built-in.o 文件，最终会被连接进内核。其中 built-in.o 文件是连接同一类程序的 .o 文件生成的中间目标文件。例如，所有的字符设备驱动程序会最终生成一个 built-in.o 文件。
如果Linux驱动依赖其他程序，如 process.c、data.c。需要按如下方式编写 Makefile 文件。
obj-m := word_count.o
word_count-y := process.o data.o
其中依赖文件要使用 module-y 或 module-objs 指定。module 表示模块名，如 word_count。
KERNELDIR 的具体路径，请看你的 linux 当前的运行版本，使用 uname -r
如果，你使用 /usr/src/ 下的 非 4.15.0-117-generic ，例如 KERNELDIR := /usr/src/linux-headers-4.15.0-122-generic/ 所编译出来的 ko 文件，在 安装 insmod 时 会报错
Error: could not insert module hello_world.ko: Invalid module format
四、编写Linux驱动程序的骨架
1 #include <linux/module.h> 2 #include <linux/init.h> 3 #include <linux/kernel.h> 4 #include <linux/fs.h> 5 #include <linux/miscdevice.h> 6 #include <asm/uaccess.h> 7 8 //初始化 linux 驱动 9 static int word_count_init(void) 10 { 11 printk("word_count_init_successful "); 12 return 0; 13 } 14 15 //退出 linux 驱动 16 static void word_count_exit(void) 17 { 18 printk("word_count_exit_successful "); 19 } 20 21 module_init(word_count_init); 22 module_exit(word_count_exit);
本文编写的Linux驱动程序虽然什么实际的功能都没有，但已经可以作为驱动程序安装在Linux内核空间了。读者可以使用下面的命令安装、查看、卸载Linux驱动，也可以查看由驱动程序输出的日志信息（执行下面命令时需要先进入word_count目录）。
安装Linux驱动
# insmod word_count.ko
查看word_count是否成功安装
# lsmod | grep word_count
卸载Linux驱动
# rmmod word_count
查看由Linux驱动输出的日志信息
# dmesg | grep word_count | tail –n 2
这里我安装卸载了两次，所以看到两个 init successful 跟 exit successful