【Linux】Petalinux驅動開發基礎

基于Petalinux做Linux驅動開發。

部分圖片和經驗來源于網絡，若有侵權麻煩聯系我刪除，主要是做筆記的時候忘記寫來源了，做完筆記很久才寫博客。

專欄目錄：記錄自己的嵌入式學習之路-CSDN博客

1 一個完整的Linux系統（針對Zynq）

1.1 PS部分

1.2 PL部分（若沒用到PL就不需要這個部分）：

2 Petalinux的內核源碼獲取

3 系統編譯過程

4 NFS掛載根文件系統（Rootfs）的條件

5 交叉編譯

6 驅動模塊的開發

6.1 驅動的運行方式

6.2 file_operations結構體

6.3 驅動模塊的加載和卸載

6.4 一個驅動程序必須有的東西

6.5 字符設備的注冊和注銷

6.6 一個字符設備驅動必須有的東西

6.7 設備號

6.8 內核空間與用戶空間

7 地址映射

7.1 相關函數

8 設備樹

8.1 是什么

8.2 為什么

8.3 設備樹相關概念

8.4 一個典型的設備樹文件

8.5 設備樹節點的基本格式

8.6 節點屬性

8.7 特殊節點

8.8 如何定位一個節點

8.9 內核啟動過程中設備樹的解析過程

8.10 如何添加一個設備樹節點

8.11 如何引用一個節點

8.12 驅動與設備樹交互的函數

8.13 設備樹使用注意事項

9 內核的內存申請

9.1 常見的作用域

9.2 驅動程序中常使用static的原因

9.3 動態內存申請

9.4 kmalloc函數

9.5 kzalloc函數

9.6 vmalloc函數

9.7 devm_kmalloc/devm_kzalloc函數

9.8 devm_kmalloc_array/kmalloc_array

10 驅動與用戶空間的交互函數

10.1 read函數

10.2 write函數

10.3 unlocked_ioctl

10.4 對比

11 ioctl詳解

11.1 ioctl協議的命令組成

11.2 ioctl的宏

11.3 用于輸入輸出的時候需要注意的點

12 Linux開發常用的頭文件

12.1 驅動開發頭文件

12.2 Linux應用開發頭文件

13 Linux驅動開發常用的宏

1 一個完整的Linux系統（針對Zynq）

1.1 PS部分

五大要素：

（1）fsbl(First Stage Boot Loader) -> zynq_fsbl.elf

負責初始化PS部分的硬件并加載第二階段的引導加載程序。

（2）uboot(Universal Boot Loader) -> u-boot.elf、boot.scr(boot引導)

Bootloader 是在操作系統運行之前執行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射表，從而建立適當的系統軟硬件環境，為最終調用操作系統內核做好準備。
boot.scr文件則是用于給uboot執行和啟動相關的行為的腳本，其中包含了加載內核、設備樹、根文件系統等操作，我個人感覺和uboot中的bootm、bootz等命令類似。而這個文件整體又和uboot中bootargs、bootcmd這兩個環境變量的作用類似。

（3）設備樹文件 -> system.dtb

一種描述硬件的數據結構。

（4）linux內核 -> image.ub、(zImage)、(uImage)

內核是Linux系統的核心，負責管理系統的硬件和軟件資源。其中，image.ub可以直接通過uboot上的bootm命令進行Linux的引導啟動，也是放在SD卡BOOT分區就能自動引導的內核鏡像文件；zImage是一種經過gzip壓縮的Linux內核鏡像格式；uImage是U-Boot引導加載程序專用的內核鏡像格式。它是在zImage或Image（不加壓縮的內核鏡像）的基礎上加上一個U-Boot頭部信息（U-BootHeader），使U-Boot能夠識別并加載內核鏡像。

注：image.ub其實包含了system.bit，zImage，system.dtb三者。

（5）根文件系統 -> rootfs.tar.gz

根文件系統提供了操作系統運行所需的文件和程序。

1.2 PL部分（若沒用到PL就不需要這個部分）：

（1）比特流（Bitstream）文件 -> system.bit

FPGA的配置文件，用于初始化PL部分的硬件。

2 Petalinux的內核源碼獲取

進行驅動開發時往往需要Linux的源碼，但在Xilinx的Github中不一定有指定版本（petalinux編譯時的版本）的Linux內核源碼，例petalinux 2023.1的6.1.5版本的內核就沒有打包在那里。

而petalinux編譯的過程中，默認是會刪除掉其解壓出來的源碼的。要拿到它編譯的源碼，可以修改<plnx_proj>/project-spec/meta-user/conf/petalinuxbsp.conf，加上RM_WORK_EXCLUDE += "linux-xlnx"，編譯后可以在<plnx_proj>/build/tmp/work-shared/zynq-generic-7z020/kernel-source中獲取源碼。

若需要uboot源碼，則加上RM_WORK_EXCLUDE += “u-boot-xlnx”。

3 系統編譯過程

普通的petalinux開發，最后會將fsbl、比特流文件、uboot、設備樹這四個部分都打包到一個BOOT.BIN的文件中去。常用命令是：

petalinux-package --boot --fsbl --fpga --u-boot –-force

若進行Linux驅動開發，設備樹文件、linux內核、根文件系統以及比特流文件都是有可能經常發生改動的，因此要盡量將這些分離出來。

（1）首先，是在編譯時，僅將fsbl和uboot編譯并打包進BOOT.BIN中，因為這兩個文件基本不會變：

petalinux-build -c bootloader        //編譯fsbl
petalinux-build -c u-boot            //編譯uboot
petalinux-package --boot --fsbl --u-boot --dtb no –force//打包兩者進BOOT.BIN，并放過其他成員。

（2）其次，是petalinux-build后修改boot.scr，因為以這樣的方式編譯出來的boot.scr腳本的內容是不對的，具體就是：

將部分對uImage的操作改為對zImage的操作（這里主要就是不使用image.ub改用zImage了）；

并添加對system.bit的操作（添加關于比特流的內容是因為沒有將比特流打包進BOOT.BIN，過程中生成的boot.sc也因此沒有與其相關的操作，所以要手動添加）；

具體可以看正點原子的教程或看正常用petalinux整合編譯時的boot.scr文件，這里其實就是將其修改為正常boot.scr該有的樣子。最后是將原版改名為boot.cmd.default，并刪掉第一行（包含亂碼的行）再使用以下命令重新生成為boot.scr：

mkimage -c none -A arm -T script -d boot.cmd.default boot.scr

要重新生成一個boot.scr的理由也很簡單，就是因為boot.scr文件的頭部帶有一些生成的二進制數據，直接修改boot.scr是不行的。

（3）接著，給Linux源碼增加設備樹文件，從上面編譯到的文件中取（路徑為<petalinux項目根目錄>/components/plnx_workspace/device-tree/device-tree），具體需要pcw.dtsi，pl.dtsi，system-top.dts，zynq-7000.dtsi和system-conf.dtsi這五個。將其放置到源碼/arch/arm/boot/dts目錄中并根據需要對system-user.dtsi和該目錄下的MAKEFILE進行修改。

（4）然后，利用make xilinx_zynq_defconfig命令設置內核配置；并使用make -j8編譯內核。該步會在arch/arm/boot中生成所需的內核鏡像文件zImage，在arch/arm/boot/dts生成設備樹二進制文件system-top.dtb。若僅修改了設備樹文件，可以僅編譯它，用命令make dts。

（5）其后，回到petalinux項目中，用petalinux-config -c rootfs命令和petalinux-build -c rootfs命令配置并編譯根文件系統得到rootfs.tar.gz。

（6）最后，在SD卡的BOOT分區，放入文件。用BOOT.BIN，boot.scr，system.bit，zImage，system.dtb五個文件代替普通Petalinux開發的BOOT.BIN，boot.scr和image.ub三個文件的方案：
        BOOT.BIN ：來自步驟（1），是僅包含fsbl和uboot的啟動引導文件；
        boot.scr        ：來自步驟（2），是添加比特流操作行為且更改boot內核行為后的boot腳本；
        system.bit ：來自步驟（1），是petalinux項目生成的比特流文件；
        zImage ：來自步驟（4），是Linux內核；
        system.dtb ：來自步驟（4），由system-top.dtb文件改名獲得，是設備樹二進制文件。

（7）最最后，將根文件系統解壓后放入SD卡的rootfs分區：
rootfs.tar.gz ：來自步驟（5），根文件系統的壓縮包。

（附加）使用NFS掛載根文件系統會更好，因為不用經常將SD卡拿出來修改rootfs分區，而boot分區則是進入Linux后隨便改，反正進系統后該分區就沒有實際的用處了。

4 NFS掛載根文件系統（Rootfs）的條件

（1）Ubuntu安裝NFS

sudo apt install nfs-kernel-server

（2）Ubuntu一個創建NFS的掛載路徑

假設為/home/xxx/workspace/nfs

（3）Ubuntu修改NFS配置文件

sudo vi /etc/exports

在文件末添加如下內容：

/home/xxx/workspace/nfs *(rw,sync,no_root_squash)

（4）Ubuntu重啟rpcbind服務和NFS服務（其實重啟系統最好）

sudo /etc/init.d/rpcbind restart
sudo systemctl start nfs-kernel-server.service

（5）網絡硬件設置

Zynq開發板（用網線PS口）與Ubuntu（用網絡橋接）連接到同一路由器上。

（6）Ubuntu網絡軟件設置

通過ifconfig命令查看Ubuntu的局域網IP地址、網關地址、掩碼等。

（7）Zynq網絡軟件設置

開機并在倒計時前回車進入uboot，使用dhcp命令自動獲取IP，依次使用以下命令將相關配置寫入開發板，具體IP要根據實際情況更改：

setenv ipaddr 192.168.100.10         //開發板 ip 地址
setenv gatewayip 192.168.100.1       //開發板網關
setenv netmask 255.255.255.0         //開發板 ip 地址掩碼
setenv serverip 192.168.100.2        //ubuntu ip地址

最后使用saveenv命令將其保存。

（8）Zynq boot命令參數設置

使用以下命令設置boot要執行的參數：

setenv bootargs 'console=ttyPS0,115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.100.2:/home/XXX/RootFS_NFS,nfsvers=3 ip=192.168.100.10:192.168.100.2:192.168.100.1:255.255.255.0::eth0:off'

最后使用saveenv命令保存。

至此，設置完畢。后續調試時，只有boot分區需要提前放好在SD卡中，rootfs直接解壓在Ubuntu的/home/xxx/workspace/nfs/rootfs目錄后，打開Zynq開發板就能自動掛載根文件系統。

5 交叉編譯

當主機平臺（運行編譯器的平臺）和目標平臺（產生的程序將在其上運行的平臺）不兼容時，該過程就叫做交叉編譯。

petalinux裝好后的編譯環境：

由none可以看出，這些編譯器是沒有編譯linux的能力的。而Petalinux在構建linux系統過程中會編譯生成linux交叉編譯工具鏈，然后使用其構建 linux 系統，可以在Petalinux工程下使用“find . -name "arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc"”命令找到相應的痕跡：