Linux设备驱动开发
上QQ阅读APP看书，第一时间看更新
上一章目录下一章

第1章　内核开发简介

Linux起源于芬兰的莱纳斯·托瓦尔兹（Linus Torvalds）在1991年凭个人爱好开创的一个项目。这个项目不断发展，至今全球有1000多名贡献者。现在，Linux已经成为嵌入式系统和服务器的必选。内核作为操作系统的核心，其开发不是一件容易的事。

和其他操作系统相比，Linux拥有更多的优点。

·免费。

·丰富的文档和社区支持。

·跨平台移植。

·源代码开放。

·许多免费的开源软件。

本书尽可能做到通用，但是仍然有些特殊的模块，比如设备树，目前在x86上没有完整实现。那么话题将专门针对ARM处理器，以及所有完全支持设备树的处理器。为什么选这两种架构？因为它们在桌面和服务器（x86）以及嵌入式系统（ARM）上得到广泛应用。

本章涉及以下主题。

·开发环境设置。

·获取、配置和构建内核源码。

·内核源代码组织。

·内核编码风格简介。

1.1　环境设置

在开始任何开发之前，都需要设置开发环境。用于Linux开发的环境相当简单，至少在基于Debian的系统上是这样：

$ sudo apt-get update 
$ sudo apt-get install gawk wget git diffstat unzip texinfo \ 
gcc-multilib build-essential chrpath socat libsdl1.2-dev \ 
xterm ncurses-dev lzop

本书部分代码与ARM片上系统（System on Chip，SoC）兼容，应该安装gcc-arm：

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf

我在华硕RoG上运行Ubuntu 16.04，使用的是Intel Core i7（8个物理内核），16 GB内存，256 GB固态硬盘和1 TB磁盘驱动器。我最爱用的编辑器是Vim，读者可以使用任意一款自己熟悉的编辑器。

1.1.1　获取源代码

在早期内核（2003年前）中，使用奇偶数对版本进行编号：奇数是稳定版，偶数是不稳定版。随着2.6版本的发布，版本编号方案切换为X.Y.Z格式。

·X：代表实际的内核版本，也被称为主版本号，当有向后不兼容的API更改时，它会递增。

·Y：代表修订版本号，也被称作次版本号，在向后兼容的基础上增加新的功能后，它会递增。

·Z：代表补丁，表示与错误修订相关的版本。

这就是所谓的语义版本编号方案，这种方案一直持续到2.6.39版本；当Linus Torvalds决定将版本升级到3.0时，意味着语义版本编号在2011年正式结束，然后采用的是X.Y版本编号方案。

升级到3.20版时，Linus认为不能再增加Y，决定改用随意版本编号方案：当Y值增加到手脚并用也数不过来时就递增X。这就是版本直接从3.20变化到4.0的原因。

现在内核使用的X.Y随意版本编号方案，这与语义版本编号无关。

源代码的组织

为了本书的需要，必须使用Linus Torvald的Github仓库。

git clone https://github.com/torvalds/linux 
git checkout v4.1 
ls

·arch/：Linux内核是一个快速增长的工程，支持越来越多的体系结构。这意味着，内核尽可能通用。与体系结构相关的代码被分离出来，并放入此目录中。该目录包含与处理器相关的子目录，例如alpha/、arm/、mips/、blackfin/等。

·block/：该目录包含块存储设备代码，实际上也就是调度算法。

·crypto/：该目录包含密码API和加密算法代码。

·Documentation/：这应该是最受欢迎的目录。它包含不同内核框架和子系统所使用API的描述。在论坛发起提问之前，应该先看这里。

·drivers/：这是最重的目录，不断增加的设备驱动程序都被合并到这个目录，不同的子目录中包含不同的设备驱动程序。

·fs/：该目录包含内核支持的不同文件系统的实现，诸如NTFS、FAT、ETX{2,3,4}、sysfs、procfs、NFS等。

·include/：该目录包含内核头文件。

·init/：该目录包含初始化和启动代码。

·ipc/：该目录包含进程间通信（IPC）机制的实现，如消息队列、信号量和共享内存。

·kernel/：该目录包含基本内核中与体系架构无关的部分。

·lib/：该目录包含库函数和一些辅助函数，分别是通用内核对象（kobject）处理程序和循环冗余码（CRC）计算函数等。

·mm/：该目录包含内存管理相关代码。

·net/：该目录包含网络（无论什么类型的网络）协议相关代码。

·scripts/：该目录包含在内核开发过程中使用的脚本和工具，还有其他有用的工具。

·security/：该目录包含安全框架相关代码。

·sound/：该目录包含音频子系统代码。

·usr/：该目录目前包含了initramfs的实现。

内核必须保持它的可移植性。任何体系结构特定的代码都应该位于arch目录中。当然，与用户空间API相关的内核代码不会改变（系统调用、/proc、/sys），因为它会破坏现有的程序。

本书使用的内核版本是4.1。因此，v4.11版本之前所做的任何更改都会涉及，至少会涉及框架和子系统。

1.1.2　内核配置

Linux内核是一个基于makefile的工程，有1000多个选项和驱动程序。配置内核可以使用基于ncurse的接口命令make menuconfig，也可以使用基于X的接口命令make xconfig。一旦选择，所有选项会被存储到源代码树根目录下的.config文件中。

大多情况下不需要从头开始配置。每个arch目录下面都有默认的配置文件可用，可以把它们用作配置起点：

ls arch/<you_arch>/configs/

对于基于ARM的CPU，这些配置文件位于arch/arm/configs/；对于i.MX6处理器，默认的配置文件位于arch/arm/configs/imx_v6_v7_defconfig；类似地，对于x86处理器，可以在arch/x86/configs/找到配置文件，仅有两个默认配置文件：i386_defconfig和x86_64_defconfig，它们分别对应于32位和64位版本。对x86系统，内核配置非常简单：

make x86_64_defconfig 
make zImage -j16 
make modules 
makeINSTALL_MOD_PATH </where/to/install> modules_install

对于基于i.MX6的主板，可以先执行ARCH=arm make imx_v6_v7_defconfig，然后执行ARCH=arm make menuconfig。前一个命令把默认的内核选项存储到.config文件中；后一个命令则根据需求来更新、增加或者删除选项。

在执行make xconfig时，可能会遇到与Qt4相关的错误，这种情况下，应该执行下列命令安装相关的软件包：

sudo apt-get install  qt4-dev-tools qt4-qmake

1.1.3　构建自己的内核

构建自己的内核需要指定相关的体系结构和编译器。这也意味着，不一定是本地构建：

ARCH=arm make imx_v6_v7_defconfig 
ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make zImage -j16

输出如下：

[...] 
  LZO     arch/arm/boot/compressed/piggy_data 
  CC      arch/arm/boot/compressed/misc.o 
  CC      arch/arm/boot/compressed/decompress.o 
  CC      arch/arm/boot/compressed/string.o 
  SHIPPED arch/arm/boot/compressed/hyp-stub.S 
  SHIPPED arch/arm/boot/compressed/lib1funcs.S 
  SHIPPED arch/arm/boot/compressed/ashldi3.S 
  SHIPPED arch/arm/boot/compressed/bswapsdi2.S 
  AS      arch/arm/boot/compressed/hyp-stub.o 
  AS      arch/arm/boot/compressed/lib1funcs.o 
  AS      arch/arm/boot/compressed/ashldi3.o 
  AS      arch/arm/boot/compressed/bswapsdi2.o 
  AS      arch/arm/boot/compressed/piggy.o 
  LD      arch/arm/boot/compressed/vmlinux 
  OBJCOPY arch/arm/boot/zImage 
  Kernel: arch/arm/boot/zImage is ready

内核构建完成后，会在arch/arm/boot/下生成一个单独的二进制映像文件。使用下列命令构建模块：

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make modules

可以通过下列命令安装编译好的模块：

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make modules_install

modules_install目标需要指定一个环境变量INSTALL_MOD_PATH，指出模块安装的目录。如果没有设置，则所有的模块将会被安装到/lib/modules/ $ (KERNELRELEASE)/kernel/目录下，具体细节将会在第2章讨论。

i.MX6处理器支持设备树，设备树是一些文件，可以用来描述硬件（相关细节会在第6章介绍）。无论如何，运行下列命令可以编译所有ARCH设备树：

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make dtbs

然而，dtbs选项不一定适用于所有支持设备树的平台。要构建一个单独的DTB，应该执行下列命令：

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- make imx6d-   sabrelite.dtb

1.2　内核约定

在内核代码的演化过程中应该遵守标准规则，这里只做简单介绍，后面会专门讨论。第3章~第13章会更全面地介绍内核开发的过程和要点。

1.2.1　编码风格

深入学习本节之前应该先参考一下内核编码风格手册，它位于内核源代码树的Documentation/CodingStyle目录下。编码风格是应该遵循的一套规则，如果想要内核开发人员接受其补丁就应该遵守这一规则。其中一些规则涉及缩进、程序流程、命名约定等。

常见的规则如下。

·始终使用8个字符的制表符缩进，每一行不能超过80个字符。如果缩进妨碍函数书写，那只能说明嵌套层次太多了。使用内核源代码scripts/cleanfile中的脚本可以设置制表符的大小和行长度：

scripts/cleanfile my_module.c

·可以使用intent工具正确缩进代码：

sudo apt-get install indent  
scripts/Lindent my_module.c

·每一个不被导出的函数或变量都必须声明为静态的。

·在带括号表达式的内部两端不要添加空格。s = size of (struct file);是可以接受的，而s = size of(struct file);是不被接受的。

·禁止使用typedef。

·请使用/* this */注释风格，不要使用// this。

·坏：// 请不要用这个。

·好：/* 内核开发人员这样用注释 */。

·宏定义应该大写，但函数宏可以小写。

·不要试图用注释去解释一段难以阅读的代码。应该重写代码，而不是添加注释。

1.2.2　内核结构分配和初始化

内核总是为其数据结构和函数提供两种可能的分配机制。

下面是其中的一些数据结构。

·工作队列。

·列表。

·等待队列。

·Tasklet。

·定时器。

·完成量。

·互斥锁。

·自旋锁。

动态初始化器是通过宏定义实现的，因此全用大写：INIT_LIST_HEAD()、DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD()、DECLARE_TASKLET()等。

这些将在第3章详细讨论。因此，表示框架设备的数据结构总是动态分配的，每个都有其自己的分配和释放API。框架设备类型如下。

·网络设备。

·输入设备。

·字符设备。

·IIO设备。

·类设备。

·帧缓冲。

·调节器。

·PWM设备。

·RTC。

静态对象在整个驱动程序范围内都是可见的，并且通过该驱动程序管理的每个设备也是可见的。而动态分配对象则只对实际使用该模块特定实例的设备可见。

1.2.3　类、对象、面向对象的编程

内核通过类和设备实现面向对象的编程。内核子系统被抽象成类，有多少子系统，/sys/class/下几乎就有多少个目录。struct kobj ect结构是整个实现的核心，它包含一个引用计数器，以便于内核统计有多少用户使用了这个对象。每个对象都有一个父对象，在sysfs（加载之后）中会有一项。

属于给定子系统的每个设备都有一个指向operations(ops)结构的指针，该结构提供一组可以在此设备上执行的操作。

1.3　总结

本章简要介绍了如何下载Linux源代码、构建第一个内核版本，以及一些常见概念。也就是说，本章很简短，不够详细，但是这只是一个简介，第2章将更详细地介绍内核构建过程、怎样实际编译外部或内核驱动程序，以及在启动内核开发之旅之前应该学习的一些基础知识。

上一章目录下一章