转：Linux设备驱动开发（1）：内核基础概念

一.linux设备驱动的作用

内核：用于管理软硬件资源，并提供运行环境。如分配4G虚拟空间等。

linux设备驱动：是连接硬件和内核之间的桥梁。

linux系统按个人理解可按下划分：

应用层：包括POSIX接口，LIBC，图形库等，用于给用户提供访问 内核的接口。属于用户态，ARM运行在用户模式(usr)或 者系统模式(sys)下。

内核层：应用程序调用相关接口后，会通过系统调用，执行SWI指 令切换ARM的工作模式到超级用户(svc)模式下，根据用 户函数的要求执行相应的操作。

硬件层：硬件设备，当用户需要操作硬件时，内核会根据驱动接口 操作硬件设备

图结构如下：

举一个相对比较邪恶的类比：

在深圳的酒店经常会在门缝看到一些卡片，上面说可以通过打电话送货上门提供某中服务。

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二.内核代码树介绍

linux-2.6.29

｜－arch : 包含和硬件体系结构相关的代码

｜－block : 硬盘调度算法，不是驱动

｜－firmware : 固件，如BOIS

｜－Documentation: 标准官方文档

｜－dirver : linux设备驱动

｜－fs : 内核所支持的文件体系

｜－include ：头文件。linux/module.h linux/init.h 常用库。

｜－init ：库文件代码，C库函数在内核中的实现。

init/main.c ->start_kernel->内核执行第一条代码

｜－ipc : 进程件通信

｜－mm ：内存管理

｜－kernel : 内核核心部分，包括进程调度等

｜－net ：网络协议

｜－sound : 所有音频相关

｜

其中，跟设备驱动有关并且经常查阅的文件夹有：

init

include : linux, asm-arm

drivers:

arch:

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三.内核补丁：

补丁一般都是基于某个版本内核生成的，用于升级旧内核。

打补丁需要注意：

1.对应版本的补丁只能用于对应版本的内核。

2.如果在已打补丁的内核再打补丁，需要先卸载原来补丁。

打补丁的方法：

1.制作补丁：

diff -Nur linux-2.6.30/ linux-2.6.30.1/ > linux-2.6.30.1.patch

//N为新加的文件全部修改

//linux-2.6.30 旧版本

//linux-2.6.30.1 新版本

//目标补丁

2.打补丁：

cd linux-2.6.30 //！！注意在原文件夹的目录中打补丁

patch -p1 < ../linux-2.6.30.1.patch //-p1是忽略一级目录

3.恢复：

cd linux-2.6.30 //！！注意在原文件夹的目录中打补丁

patch -R < ../linux-2.6.30.1.patch //撤销补丁

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四.内核中的Makefile：

对于内核，Makefile分为5类：

Documentation/kbuild/makefiles.txt描述如下：

50 The Makefiles have five parts:

51

52 Makefile 总Makefile，控制内核的编译

53 .config 内核配置文件，配置内核时生成， 如make menuconfig后

54 arch/$(ARCH)/Makefile 对应体系结构的Makefile

55 scripts/Makefile.* Makefile共用的规则

56 kbuild Makefiles 各子目录下的Makefile，被上层的Makefile调用。

简单来说，编译内核会执行以下两步骤，它们分别干了以下的事情。

1一般的，我们会拷贝一个对应体系结构的配置文件到主目录下并改名为 .config，这样就在make menuconfig生成的图形配置中 已经有了一些默认的配置，减少用户的劳动量。不过这一步不做也没关系的。

2.make menuconfig

2.1、由总Makefile决定编译的体系结构(ARCH). 编译工具(CROSS_COMPILE)，并知道需要进去哪些内核根下的哪些目录进行编译。

2.2、由arch/$(ARCH)/Makefile,决定arch/$(ARCH)下还有 的哪些目录和文件需要编译。

2.3、知道了需要编译的目录后，递归的进入哪些目录下，读取每一个Kconfig的信息，生成了图形配置的界面。

2.4、通过我们在图形配置界面中选项为[*]、[M]或者[]。

2.5、保存并退出配置，会根据配置生成一份新的配置文件.config，并在同时生成include/config/auto.conf（这是.config的去注释版）。文件里面保存着CONFIG_XXXX等变量应该取y还是取m。

3.make

3.1、根据Makefile包含的目录和配置文件的要求，进去个子目录进行编译，最后会在各子目录下 生成一个.o或者.a文件，然后总Makefile指定的连接脚本arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds生成vmlinux，并通过 压缩编程bzImage，或者按要求在对应的子目录下编译成 模块。。

但是，具体是怎么生成配置文件的呢？

注：我使用的内核是2.6.29。

1.在总Makefile中，根据以下语句进入需要编译的目录

470 # Objects we will link into vmlinux / subdirs we need to visit

471 init-y := init/

472 drivers-y := drivers/ sound/ firmware/

473 net-y := net/

474 libs-y := lib/

475 core-y := usr/

476 endif # KBUILD_EXTMOD

639 core-y += kernel/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/

上面说明了，根目录下的init、driver、sound、firmware、net、lib、usr等目录，在编译时都会进去读取目录下的Makefile并进行编译。

2.在总Makefile中包含的目录还是不够的，内核还需要根据对应的CPU体系架构，

决定还需要将哪些子目录将要编译进内核。在总Makefile中有一个语句：

529 include $(srctree)/arch/$(SRCARCH)/Makefile //在这里，我定义SRCARCH = arm

可以看出，在总Makefile中进去读取相应体系 结构的Makefile->arch/$(SRCARCH)/Makefile。

arch/$(SRCARCH)/Makefile中指定arch/$(SRCARCH)路径下的哪些子目录需要被编译。

在 arch/arm/Makefile 下：

95 head-y := arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o

187 # If we have a machine-specific directory, then include it in the build.

188 core-y += arch/arm/kernel/ arch/arm/mm/ arch/arm/common/

189 core-y += $(machdirs) $(platdirs)

190 core-$(CONFIG_FPE_NWFPE) += arch/arm/nwfpe/

191 core-$(CONFIG_FPE_FASTFPE) += $(FASTFPE_OBJ)

192 core-$(CONFIG_VFP) += arch/arm/vfp/

193

194 drivers-$(CONFIG_OPROFILE) += arch/arm/oprofile/

195

196 libs-y := arch/arm/lib/ $(libs-y)

上面看到，指定需要进入arch/arm/kernel/、arch/arm/mm/、arch/arm/common/ 等目录编译，至于core-y、 core-$(CONFIG_FPE_NWFPE)这些是什么东西呢？

其中，y表示编译成模块，m表示编译进内核(上面没有，因为默认情况下ARM全部编译进 内核)，但$(CONFIG_OPROFILE)又是什么呢？ 这些是根据用户在make menuconfig中设置后，生成的值赋给了CONFIG_OPROFILE。

3.那make menuconfig后的配置信息是怎么来的？

这是由各子目录下的Kconfig提供选项功用户选择并配置。

如arch/arm/Kconfig。 所有的配置都是根据arch/$(ARCH)/Kconfig文件通过Kconfig的语法source读取 各个包含的子目录Kconfig来生成一个配置界面。每个Makefile目录下都有一个对应的Kconfig文件，用于生成配置界面来给用户决定内核如何配置，配置后会确定一个。CONFIG_XXX的的值（如上面的CONFIG_OPROFILE），来决定编译进内核，还是编译成模块或者不编译。

如在arch/arm/Kconfig下：

595 source "arch/arm/mach-clps711x/Kconfig"

596

597 source "arch/arm/mach-ep93xx/Kconfig"

598

599 source "arch/arm/mach-footbridge/Kconfig"

600

601 source "arch/arm/mach-integrator/Kconfig"

602

603 source "arch/arm/mach-iop32x/Kconfig"

604

605 source "arch/arm/mach-iop33x/Kconfig"

这些就是用来指定，需要读取以下目录下的Kconfig文件来生成一个使用make menuconfig时的配置界面。

至于子目录下的Kconfig是怎么样的，待会介绍。

总结Kconfig的作用：

3.1.在make menuconfig下可以配置选项;

3.2.在.config中确定CONFIG_XXX的的值。

4.只是读取以上的两个Makefile还是不够了，内核还会把包含的子目录一层一层的 读取它里面的Makefile和Kconfig。

上面啰啰嗦嗦地讲了这么久，无非就是想说，内核的编译并不是一个Makefile搞定的，需要通过根目录下的总Makefile来包含一下子Makefile（不管是根目录下的子目录还是/arch/arm中的子目录）。而Kconfig，为用户提供一个交互界面来选择如何配置并生成配置选项。

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五、子目录下的Makefile和Kconfig

上面我一直介绍的都是两个比较大的Makefile——总Makefile和 arch/$(ARCH)/Makefile。接下来看一下实例。

一、在makefile中，y表示编译进内核，m表示编译成模块，不写代表不编译。 所以，配置最简单的方法就是，直接修改子目录的Makefile 。

先看看arch/arm/Makefile：

/*arch/arm/mach-s3c2440/Makefile */

12 obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440) += s3c2440.o dsc.o

13 obj-$(CONFIG_CPU_S3C2440) += irq.o

的时钟进入模块

15 obj-$(CONFIG_S3C2440_DMA) += dma.o

如果我要取消s3c2440的时钟(当然这是必须要开的，只是举例)。 可以直接修改arch/arm/mach-s3c2440/Makefile 将obj-$( CONFIG_CPU_S3C2440) += clock.o改为

obj- += clock.o

如果你想编译成模块也可以修改成：

obj-m += clock.o

在这里 CONFIG_CPU_S3C2440的值默认是y，所以内核是要将时钟编译进内核的。也许有人会问，那我直接修改 CONFIG_CPU_S3C2440的值为m不就可以将时钟编译成模块了，何必修改Makefile这么麻烦呢？的确是这样，只要我们通过在”make menuconfig”的界面中配置后就能够改变 CONFIG_CPU_S3C2440的值。接下来看看如何实现。

二、在一般的编译内核时，我们都是通过”make menuconfig”进入图形界面面配置的， 接下来我实现一下如何将一个选项加入到图形配置界面中。

看看具体实现的步骤：

以下的执行环境是在PC机上，我使用的内核是linux-2.6.29：

2.1.进入内核目录

cd linux-2.6.29

2.2. 在driver目录下模拟一个名为test1驱动的文件夹

mkdir driver/test1

2.3. 在目录下随便些一个C文件，只要不报错。

vim test1.c

我的test1.c如下：

1 void foo()

2 {

3   ;

4 }

2.4vim Makefile //在目录下编写一个简单的Makefile

Makefile文件编写如下：

obj-$(CONFIG_TEST1) += test1.o

CONFIG_TEST1是决定test1是否编译进内核或者编译成模块的。这就是通 过同一目录下的Kconfig来在配置界面中生成选项，由用户在make menuconfig中选择。

2.5所以还要同一目录下写一个Kconfig：

vim Kconfig

Kconfig修改如下：

menu "test1 driver here" //这是在图形配置显示的

config TEST1

bool "xiaobai test1 driver" //这同样也是在图形配置显示的

help

This is test1 //这个也是在图形配置显示的。

说白了，就是在图形配置的driver下多了一个配置选项，用户配置后将 CONFIG_TEST1的值存放在.config中，Makefile通过读取.config的去注 释版include/config/auto.conf读取到CONFIG_TEST的值，再进行编译。

但是，以上几步还不能达到目的，因为虽然在总Makefile中已经包含了 目录driver,但是driver目录的Makefile中并没有包含test目录。因此 需要在driver/Makefile中添加：

103 obj-$(CONFIG_PPC_PS3) += ps3/

104 obj-$(CONFIG_OF) += of/

105 obj-$(CONFIG_SSB) += ssb/

106 obj-$(CONFIG_VIRTIO) += virtio/

107 obj-$(CONFIG_STAGING) += staging/

108 obj-y += platform/

109 obj-$(CONFIG_TEST1) += test1/ //这是我添加的

虽然Makefile中已经包含了，但这样还是不行。因为当需要配置ARM时， ARM结构下的Kconfig并没有包含test的Kconfig。这样的话就不会出现在 图形配置界面中，因此在arch/arm/Kconfig中添加：

1230 menu "Device Drivers" //要在Device Drivers这个选项里面添加

1231

1232 source "drivers/base/Kconfig"

1233

1234 source "drivers/connector/Kconfig"

。。。。。。。。

1330 source "drivers/test/Kconfig" //这是我添加的

1331

1332 endmenu

大功告成！

这样，make menuconfig界面写的Driver Devices下就多了一个 "test1 friver here"的目录，里面有一个配置选项"xiaobai test1 driver"。

Kconfig文件的语法在documentation/kbuild/kconfig-language.txt文件中 有详细的讲解，上面我只是简单实现了一下，都是皮毛。

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六.内核和模块的编译

编译内核很简单，只需要配置完毕后执行make命令，将指定的文件编译进内核

bzImage或者编译成模块。

make = make bzImage + make modules

因此如果值编译内核，即只编译配置文件中-y选项，可以直接用命令

make bzImage

如果值编译模块，即只编译配置文件中的-m选项，可以之直接使用命令

make modules

模块可以编译当然也可以清除，使用命令

make modules clean

如果只想单独编译一个模块，可以使用命令

make M=drivers/test/ modules //只单独编译drivers/test中的.ko

make M=drivers/test/ modules clean //清除

上面的是在内核目录下的操作，但当我写驱动时，我并不可能在内核目录下编

写，但我编译时却要依赖内核中的规则和Makefile，所以就有了以下的方法，

同时这也是一般的编写驱动时Makefile的格式。

指定内核Makefile并单独编译

make -C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` module

make -C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` module clean

//-C 指定内核Makefile的路径，可以使用相对路径。

//-M 指定要编译的文件的路径，同样课使用相对路径。

编译生成的模块可以指定存放的目录

make -C /root/linux-2.6.29 M=`pwd` modules_install INSTALL_MOD_PATH=/nfsroot

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七、总结

说了这么久估计都说糊涂了，其实我只是想表达一下内核编译时大体上究竟是怎么样的一个过程。

我以编译S3C2440的内核为例再说一遍：

一般我们会想将一份S3C2440的默认配置拷贝到内核跟目录下并改名为.config。

2.make menuconfig

2.1、由总Makefile决定编译的体系结构(ARCH). 编译工具(CROSS_COMPILE)，并知道需要进去哪些内核根下的哪些目录进行编译。

2.2、由arch/$(ARCH)/Makefile,决定arch/$(ARCH)下还有 的哪些目录和文件需要编译。

2.3、知道了需要编译的目录后，递归的进入哪些目录下，读取每一个Kconfig的信息，生成了图形配置的界面。

2.4、通过我们在图形配置界面中选项为[*]、[M]或者[]。

2.5、保存并退出配置，会根据配置生成一份新的配置文件.config，并在同时生成include/config/auto.conf（这是.config的去注释版）。文件里面保存着CONFIG_XXXX等变量应该取y还是取m。

3.make

3.1、根据Makefile包含的目录和配置文件的要求，进去个子目录进行编译，最后会在各子目录下 生成一个.o或者.a文件，然后总Makefile指定的连接脚本arch/$(ARCH)/kernel/vmlinux.lds生成vmlinux，并通过 压缩编程bzImage，或者按要求在对应的子目录下编译成 模块。

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