Linux-----驅動

一、內核驅動與啟動流程

1.?Linux內核驅動

  • Nor Flash: 可線性訪問，有專門的數據及地址總線（與內存訪問方式相同）。

  • Nand Flash: 不可線性訪問，訪問需要控制邏輯（軟件）。

2.?Linux啟動流程

  • ARM架構:

    • IRAM (4KB): 內部RAM，用于存儲初始引導程序。

    • Nor Flash (2M): 存儲u-boot程序。

    • 內存 (64M): 用于加載內核和根文件系統。

    • Nand Flash (256M): 存儲內核、根文件系統等數據。

  • 啟動過程:

    1. Bootloader (u-boot):

      • 初始化CPU、異常向量表、棧、時鐘、內存等。

      • 關閉看門狗、中斷、Cache、MMU。

      • 初始化相關硬件和軟件協議。

      • 將內核加載到內存。

      • 向內核傳遞參數（根文件系統類型、位置、控制臺等）。

      • 啟動內核。

    2. 內核 (kernel):

      • 文件管理、內存管理、進程管理、網絡管理、設備管理。

      • 啟動到最后階段加載根文件系統。

      • init進程啟動后臺服務程序、加載配置、啟動shell和應用程序。

    3. 根文件系統 (rootfs):

      • 包含程序（應用、系統、命令）、配置文件、庫文件、普通文件（txt、mp3）。

3.?Windows與Linux對比

  • Windows: 使用BIOS啟動。

  • Linux: 使用bootloader引導內核啟動，內核加載rootfs。

4.?具體啟動步驟

  • Nor Flash:

    • 系統上電后，PC指向0地址，直接執行Nor Flash中的u-boot程序。

  • Nand Flash:

    • 系統上電后，自動搬移u-boot前4KB程序到IRAM。

    • CPU執行IRAM中的代碼，u-boot初始化內存并將剩余代碼搬移到內存執行。

5.?內核與文件系統

  • 內核 (uImage):

    • 啟動前u-boot向內核傳遞參數（tag_list）。

    • Nand Flash: u-boot直接讀取Nand Flash中的uImage并寫入內存的0x30008000地址處，啟動內核。

    • Ubuntu: 通過TFTP下載uImage到內存的0x30008000地址處，啟動內核。

  • 根文件系統 (rootfs):

    • Nand Flash: uImage啟動到最后階段時，直接掛載Nand Flash中的rootfs。

    • Ubuntu: uImage啟動到最后階段時，通過NFS掛載Ubuntu中的rootfs。

6.?前置步驟

  1. 向Nor Flash 0地址處燒寫u-boot.bin。

  2. 拷貝uImage到Ubuntu的TFTP服務目錄下。

  3. 將rootfs.tar.gz拷貝到Ubuntu的NFS服務目錄下，并解壓

    sudo tar -xvf rootfs.tar.gz
7.?U-Boot命令

  • 環境變量管理:

    • printenv: 打印環境變量。

    • reset: 重啟。

    • setenv serverip 192.168.1.3: 設置環境變量。

    • saveenv: 保存環境變量到Nand Flash。

    • setenv serverip: 刪除環境變量。

  • 下載與啟動:

    • tftp 0x30008000 uImage: 通過TFTP協議下載uImage到內存的0x30008000地址處。

    • bootm 0x30008000: 啟動內存0x30008000地址處的內核。

    • go 0x30008000: 運行內存0x30008000地址處的程序。

8.?設置啟動參數
setenv bootargs console=ttySAC0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/rootfs ip=192.168.1.123 init=/linuxrc

  • console: 控制臺（終端）。

  • root: 根文件系統類型。

  • nfsroot: 根文件系統位置。

  • ip: 內核階段使用的IP。

  • init: 指定init進程。

二、內核編譯

1.?內核編譯步驟

  • Kconfig: 定義make menuconfig的配置選項。

  • make menuconfig: 內核配置。

  • .config: 配置文件，決定哪些文件被編譯進內核。

    • CONFIG_SSL = n: 不啟用SSL。

    • CONFIG_MM = y: 啟用內存管理。

  • makefile: 條件編譯，編譯內核。

2.?內核鏡像類型

  • Image: 可以直接使用的內核鏡像。

  • zImage: 一段解壓代碼 + Image的壓縮文件。

  • uImage: 64字節的頭信息 + zImage。

3.?地址相關代碼

  • 地址相關代碼: 鏈接地址和加載地址一致。

  • 地址無關代碼: 鏈接地址和加載地址無關。

4.?跳轉指令

  • 相對跳轉、短跳轉: b fun

  • 絕對跳轉、長跳轉: ldr pc, 0x00000000

5.?內核目錄結構

6.?向內核新增文件

以向drivers/char下添加demo.c為例：

  1. 在drivers/char目錄下新建并編輯demo.c。

  2. 修改同層目錄下的Makefile，添加：

    makefile 
    obj-$(CONFIG_DEMO) += demo.o

  3. 修改同層目錄下的Kconfig，添加一個DEMO的配置。

  4. 執行make menuconfig。

  5. 執行make uImage。

7.?內核編譯命令

  • 配置內核

    cp config_mini2440_t35 .config
make menuconfig

  • 編譯內核

    make uImage
8.?內核鏡像說明

  • Image: 可直接使用的內核鏡像。

  • zImage: 壓縮的內核鏡像，包含解壓代碼。

  • uImage: 帶有64字節頭信息的壓縮內核鏡像。

9.?Makefile和Kconfig

  • 每層目錄都有Makefile和Kconfig文件，用于配置和編譯內核。

10.?編譯流程總結

  1. 配置內核: 使用make menuconfig選擇內核配置選項。

  2. 編譯內核: 使用make uImage生成內核鏡像。

  3. 驗證內核: 確保生成的內核鏡像可以正常啟動。

11.?注意事項

  • 配置文件: .config文件決定了哪些模塊被編譯進內核。

  • 條件編譯: 使用obj-$(CONFIG_XXX)進行條件編譯。

  • 目錄結構: 每層目錄都有Makefile和Kconfig文件，確保編譯過程正確。

三、驅動程序

1.?設備文件與驅動模塊

  • 設備文件: 用戶空間程序通過設備文件與驅動程序交互。

    • 示例: open("/dev/led");

  • 驅動模塊: 內核中的驅動程序負責控制硬件設備。

    • 示例: sys_open(led)調用驅動模塊。

2.?設備驅動類型

  • 字符設備驅動: 數據按順序訪問，90%以上的設備使用字符設備驅動。

  • 塊設備驅動: 可以隨機訪問，主要用于存儲設備。

  • 網絡設備驅動: 網卡，集成復雜協議，通過套接字通信，沒有設備號，靠名字維護。

3.?設備號

  • 設備號: 用于標識設備。

    • 主設備號 (高12位): 區分設備類型。

    • 次設備號 (低20位): 區分同類的不同設備。

  • 示例: dev_t 是32位設備號。

4.?創建設備節點

  • 使用mknod命令創建設備節點

    mknod /dev/demo3 c 255 0

    • /dev/demo3: 設備節點名。

    • c: 字符設備。

    • 255: 主設備號。

    • 0: 次設備號。

5.?驅動模塊結構

  • 驅動模塊: 包含open、read、write、ioctl、close等函數。

  • 示例: drv_led、drv_key、drv_adc分別對應LED、按鍵、ADC設備。

6.?設備驅動流程

  1. 應用程序調用設備文件:

    • open("/dev/led");

  2. 內核調用驅動模塊:

    • sys_open(led) → drv_led。

  3. 驅動模塊控制硬件設備:

    • drv_led控制LED設備。

7.?設備號與驅動模塊關系

  • 每個設備號對應一個驅動模塊。

  • 內核通過設備號找到對應的驅動模塊。

8.?設備號結構
+--------+--------+----+-------+
| 8      | 8      | 2  | 14    |
+--------+--------+----+-------+
設備類型  命令編號  數據  參數大小
魔幻數           流向

  • 設備類型 (魔幻數): 8位，標識設備類型。

  • 命令編號: 8位，標識具體命令。

  • 數據流向: 2位，標識數據方向。

  • 參數大小: 14位，標識參數大小。

9.?設備驅動總結

  • 字符設備: 順序訪問，適用于大多數設備。

  • 塊設備: 隨機訪問，適用于存儲設備。

  • 網絡設備: 復雜協議，通過套接字通信。

  • 設備號: 區分設備類型和具體設備。

  • 驅動模塊: 內核中的程序，負責控制硬件設備。

10.?關鍵命令

  • 創建設備節點: mknod。

  • 設備文件操作: open、read、write、ioctl、close。

11.?注意事項

  • 設備號分配: 確保主設備號和次設備號唯一。

  • 驅動模塊編寫: 需要實現open、read、write等函數。

  • 設備文件操作: 應用程序通過設備文件與驅動模塊交互。

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