在ubuntu上为android系统编写Linux驱动程序【转】

在ubuntu上为android系统编写Linux驱动程序【转】
本文转载自：http://blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/6568411

  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。

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   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. 参照前面两篇文章在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新源代码和在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新内核源代码（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：
[cpp] view plain copy
1. #ifndef _HELLO_ANDROID_H_
2. #define _HELLO_ANDROID_H_
4. #include <linux/cdev.h>
5. #include <linux/semaphore.h>
7. #define HELLO_DEVICE_NODE_NAME "hello"
8. #define HELLO_DEVICE_FILE_NAME "hello"
9. #define HELLO_DEVICE_PROC_NAME "hello"
10. #define HELLO_DEVICE_CLASS_NAME "hello"
12. struct hello_android_dev {
13. int val;
14. struct semaphore sem;
15. struct cdev dev;
16. };
18. #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：
[cpp] view plain copy
1. #include <linux/init.h>
2. #include <linux/module.h>
3. #include <linux/types.h>
4. #include <linux/fs.h>
5. #include <linux/proc_fs.h>
6. #include <linux/device.h>
7. #include <asm/uaccess.h>
9. #include "hello.h"
11. /*主设备和从设备号变量*/
12. static int hello_major = 0;
13. static int hello_minor = 0;
15. /*设备类别和设备变量*/
16. static struct class* hello_class = NULL;
17. static struct hello_android_dev* hello_dev = NULL;
19. /*传统的设备文件操作方法*/
20. static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp);
21. static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp);
22. static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);
23. static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);
25. /*设备文件操作方法表*/
26. static struct file_operations hello_fops = {
27. .owner = THIS_MODULE,
28. .open = hello_open,
29. .release = hello_release,
30. .read = hello_read,
31. .write = hello_write,
32. };
34. /*访问设置属性方法*/
35. static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf);
36. static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count);
38. /*定义设备属性*/
39. 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：
[cpp] view plain copy
1. /*打开设备方法*/
2. static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp) {
3. struct hello_android_dev* dev;
5. /*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*/
6. dev = container_of(inode->i_cdev, struct hello_android_dev, dev);
7. filp->private_data = dev;
9. return 0;
10. }
12. /*设备文件释放时调用，空实现*/
13. static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp) {
14. return 0;
15. }
17. /*读取设备的寄存器val的值*/
18. static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {
19. ssize_t err = 0;
20. struct hello_android_dev* dev = filp->private_data;
22. /*同步访问*/
23. if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
24. return -ERESTARTSYS;
25. }
27. if(count < sizeof(dev->val)) {
28. goto out;
29. }
31. /*将寄存器val的值拷贝到用户提供的缓冲区*/
32. if(copy_to_user(buf, &(dev->val), sizeof(dev->val))) {
33. err = -EFAULT;
34. goto out;
35. }
37. err = sizeof(dev->val);
39. out:
40. up(&(dev->sem));
41. return err;
42. }
44. /*写设备的寄存器值val*/
45. static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {
46. struct hello_android_dev* dev = filp->private_data;
47. ssize_t err = 0;
49. /*同步访问*/
50. if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
51. return -ERESTARTSYS;
52. }
54. if(count != sizeof(dev->val)) {
55. goto out;
56. }
58. /*将用户提供的缓冲区的值写到设备寄存器去*/
59. if(copy_from_user(&(dev->val), buf, count)) {
60. err = -EFAULT;
61. goto out;
62. }
64. err = sizeof(dev->val);
66. out:
67. up(&(dev->sem));
68. return err;
69. }
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：
[cpp] view plain copy
1. /*读取寄存器val的值到缓冲区buf中，内部使用*/
2. static ssize_t __hello_get_val(struct hello_android_dev* dev, char* buf) {
3. int val = 0;
5. /*同步访问*/
6. if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
7. return -ERESTARTSYS;
8. }
10. val = dev->val;
11. up(&(dev->sem));
13. return snprintf(buf, PAGE_SIZE, "%d ", val);
14. }
16. /*把缓冲区buf的值写到设备寄存器val中去，内部使用*/
17. static ssize_t __hello_set_val(struct hello_android_dev* dev, const char* buf, size_t count) {
18. int val = 0;
20. /*将字符串转换成数字*/
21. val = simple_strtol(buf, NULL, 10);
23. /*同步访问*/
24. if(down_interruptible(&(dev->sem))) {
25. return -ERESTARTSYS;
26. }
28. dev->val = val;
29. up(&(dev->sem));
31. return count;
32. }
34. /*读取设备属性val*/
35. static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) {
36. struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);
38. return __hello_get_val(hdev, buf);
39. }
41. /*写设备属性val*/
42. static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) {
43. struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);
45. return __hello_set_val(hdev, buf, count);
46. }
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：
[cpp] view plain copy
1. /*读取设备寄存器val的值，保存在page缓冲区中*/
2. static ssize_t hello_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) {
3. if(off > 0) {
4. *eof = 1;
5. return 0;
6. }
8. return __hello_get_val(hello_dev, page);
9. }
11. /*把缓冲区的值buff保存到设备寄存器val中去*/
12. static ssize_t hello_proc_write(struct file* filp, const char __user *buff, unsigned long len, void* data) {
13. int err = 0;
14. char* page = NULL;
16. if(len > PAGE_SIZE) {
17. printk(KERN_ALERT"The buff is too large: %lu. ", len);
18. return -EFAULT;
19. }
21. page = (char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);
22. if(!page) {
23. printk(KERN_ALERT"Failed to alloc page. ");
24. return -ENOMEM;
25. }
27. /*先把用户提供的缓冲区值拷贝到内核缓冲区中去*/
28. if(copy_from_user(page, buff, len)) {
29. printk(KERN_ALERT"Failed to copy buff from user. ");
30. err = -EFAULT;
31. goto out;
32. }
34. err = __hello_set_val(hello_dev, page, len);
36. out:
37. free_page((unsigned long)page);
38. return err;
39. }
41. /*创建/proc/hello文件*/
42. static void hello_create_proc(void) {
43. struct proc_dir_entry* entry;
45. entry = create_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME, 0, NULL);
46. if(entry) {
47. entry->owner = THIS_MODULE;
48. entry->read_proc = hello_proc_read;
49. entry->write_proc = hello_proc_write;
50. }
51. }
53. /*删除/proc/hello文件*/
54. static void hello_remove_proc(void) {
55. remove_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME, NULL);
56. }
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：
[cpp] view plain copy
1. /*初始化设备*/
2. static int __hello_setup_dev(struct hello_android_dev* dev) {
3. int err;
4. dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);
6. memset(dev, 0, sizeof(struct hello_android_dev));
8. cdev_init(&(dev->dev), &hello_fops);
9. dev->dev.owner = THIS_MODULE;
10. dev->dev.ops = &hello_fops;
12. /*注册字符设备*/
13. err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1);
14. if(err) {
15. return err;
16. }
18. /*初始化信号量和寄存器val的值*/
19. init_MUTEX(&(dev->sem));
20. dev->val = 0;
22. return 0;
23. }
25. /*模块加载方法*/
26. static int __init hello_init(void){
27. int err = -1;
28. dev_t dev = 0;
29. struct device* temp = NULL;
31. printk(KERN_ALERT"Initializing hello device. ");
33. /*动态分配主设备和从设备号*/
34. err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, HELLO_DEVICE_NODE_NAME);
35. if(err < 0) {
36. printk(KERN_ALERT"Failed to alloc char dev region. ");
37. goto fail;
38. }
40. hello_major = MAJOR(dev);
41. hello_minor = MINOR(dev);
43. /*分配helo设备结构体变量*/
44. hello_dev = kmalloc(sizeof(struct hello_android_dev), GFP_KERNEL);
45. if(!hello_dev) {
46. err = -ENOMEM;
47. printk(KERN_ALERT"Failed to alloc hello_dev. ");
48. goto unregister;
49. }
51. /*初始化设备*/
52. err = __hello_setup_dev(hello_dev);
53. if(err) {
54. printk(KERN_ALERT"Failed to setup dev: %d. ", err);
55. goto cleanup;
56. }
58. /*在/sys/class/目录下创建设备类别目录hello*/
59. hello_class = class_create(THIS_MODULE, HELLO_DEVICE_CLASS_NAME);
60. if(IS_ERR(hello_class)) {
61. err = PTR_ERR(hello_class);
62. printk(KERN_ALERT"Failed to create hello class. ");
63. goto destroy_cdev;
64. }
66. /*在/dev/目录和/sys/class/hello目录下分别创建设备文件hello*/
67. temp = device_create(hello_class, NULL, dev, "%s", HELLO_DEVICE_FILE_NAME);
68. if(IS_ERR(temp)) {
69. err = PTR_ERR(temp);
70. printk(KERN_ALERT"Failed to create hello device.");
71. goto destroy_class;
72. }
74. /*在/sys/class/hello/hello目录下创建属性文件val*/
75. err = device_create_file(temp, &dev_attr_val);
76. if(err < 0) {
77. printk(KERN_ALERT"Failed to create attribute val.");
78. goto destroy_device;
79. }
81. dev_set_drvdata(temp, hello_dev);
83. /*创建/proc/hello文件*/
84. hello_create_proc();
86. printk(KERN_ALERT"Succedded to initialize hello device. ");
87. return 0;
89. destroy_device:
90. device_destroy(hello_class, dev);
92. destroy_class:
93. class_destroy(hello_class);
95. destroy_cdev:
96. cdev_del(&(hello_dev->dev));
98. cleanup:
99. kfree(hello_dev);
101. unregister:
102. unregister_chrdev_region(MKDEV(hello_major, hello_minor), 1);
104. fail:
105. return err;
106. }
108. /*模块卸载方法*/
109. static void __exit hello_exit(void) {
110. dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);
112. printk(KERN_ALERT"Destroy hello device. ");
114. /*删除/proc/hello文件*/
115. hello_remove_proc();
117. /*销毁设备类别和设备*/
118. if(hello_class) {
119. device_destroy(hello_class, MKDEV(hello_major, hello_minor));
120. class_destroy(hello_class);
121. }
123. /*删除字符设备和释放设备内存*/
124. if(hello_dev) {
125. cdev_del(&(hello_dev->dev));
126. kfree(hello_dev);
127. }
129. /*释放设备号*/
130. unregister_chrdev_region(devno, 1);
131. }
133. MODULE_LICENSE("GPL");
134. MODULE_DESCRIPTION("First Android Driver");
136. module_init(hello_init);
137. 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。
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