Ubuntu中为Android系统上编写Linux内核驱动程序实现方法
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AndroidMarket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。
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LinuxDeviceDrivers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Android源码在Ubuntu上下载,编译和安装和在Android内核源码在Ubuntu上下载,编译,安装（LinuxKernel）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$cdkernel/common/drivers
USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common/drivers$mkdirhello
三.在hello目录中增加hello.h文件：
#ifndef_HELLO_ANDROID_H_
#define_HELLO_ANDROID_H_
#include<linux/cdev.h>
#include<linux/semaphore.h>
#defineHELLO_DEVICE_NODE_NAME"hello"
#defineHELLO_DEVICE_FILE_NAME"hello"
#defineHELLO_DEVICE_PROC_NAME"hello"
#defineHELLO_DEVICE_CLASS_NAME"hello"
structhello_android_dev{
intval;
structsemaphoresem;
structcdevdev;
};
#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：
#include<linux/init.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/types.h>
#include<linux/fs.h>
#include<linux/proc_fs.h>
#include<linux/device.h>
#include<asm/uaccess.h>
#include"hello.h"
/*主设备和从设备号变量*/
staticinthello_major=0;
staticinthello_minor=0;
/*设备类别和设备变量*/
staticstructclass*hello_class=NULL;
staticstructhello_android_dev*hello_dev=NULL;
/*传统的设备文件操作方法*/
staticinthello_open(structinode*inode,structfile*filp);
staticinthello_release(structinode*inode,structfile*filp);
staticssize_thello_read(structfile*filp,char__user*buf,size_tcount,loff_t*f_pos);
staticssize_thello_write(structfile*filp,constchar__user*buf,size_tcount,loff_t*f_pos);
/*设备文件操作方法表*/
staticstructfile_operationshello_fops={
.owner=THIS_MODULE,
.open=hello_open,
.release=hello_release,
.read=hello_read,
.write=hello_write,
};
/*访问设置属性方法*/
staticssize_thello_val_show(structdevice*dev,structdevice_attribute*attr,char*buf);
staticssize_thello_val_store(structdevice*dev,structdevice_attribute*attr,constchar*buf,size_tcount);
/*定义设备属性*/
staticDEVICE_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：
/*打开设备方法*/
staticinthello_open(structinode*inode,structfile*filp){
structhello_android_dev*dev;
/*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*/
dev=container_of(inode->i_cdev,structhello_android_dev,dev);
filp->private_data=dev;
return0;
}
/*设备文件释放时调用，空实现*/
staticinthello_release(structinode*inode,structfile*filp){
return0;
}
/*读取设备的寄存器val的值*/
staticssize_thello_read(structfile*filp,char__user*buf,size_tcount,loff_t*f_pos){
ssize_terr=0;
structhello_android_dev*dev=filp->private_data;
/*同步访问*/
if(down_interruptible(&(dev->sem))){
return-ERESTARTSYS;
}
if(count<sizeof(dev->val)){
gotoout;
}
/*将寄存器val的值拷贝到用户提供的缓冲区*/
if(copy_to_user(buf,&(dev->val),sizeof(dev->val))){
err=-EFAULT;
gotoout;
}
err=sizeof(dev->val);
out:
up(&(dev->sem));
returnerr;
}
/*写设备的寄存器值val*/
staticssize_thello_write(structfile*filp,constchar__user*buf,size_tcount,loff_t*f_pos){
structhello_android_dev*dev=filp->private_data;
ssize_terr=0;
/*同步访问*/
if(down_interruptible(&(dev->sem))){
return-ERESTARTSYS;
}
if(count!=sizeof(dev->val)){
gotoout;
}
/*将用户提供的缓冲区的值写到设备寄存器去*/
if(copy_from_user(&(dev->val),buf,count)){
err=-EFAULT;
gotoout;
}
err=sizeof(dev->val);
out:
up(&(dev->sem));
returnerr;
}
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：
/*读取寄存器val的值到缓冲区buf中，内部使用*/
staticssize_t__hello_get_val(structhello_android_dev*dev,char*buf){
intval=0;
/*同步访问*/
if(down_interruptible(&(dev->sem))){
return-ERESTARTSYS;
}
val=dev->val;
up(&(dev->sem));
returnsnprintf(buf,PAGE_SIZE,"%d\n",val);
}
/*把缓冲区buf的值写到设备寄存器val中去，内部使用*/
staticssize_t__hello_set_val(structhello_android_dev*dev,constchar*buf,size_tcount){
intval=0;
/*将字符串转换成数字*/
val=simple_strtol(buf,NULL,10);
/*同步访问*/
if(down_interruptible(&(dev->sem))){
return-ERESTARTSYS;
}
dev->val=val;
up(&(dev->sem));
returncount;
}
/*读取设备属性val*/
staticssize_thello_val_show(structdevice*dev,structdevice_attribute*attr,char*buf){
structhello_android_dev*hdev=(structhello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);
return__hello_get_val(hdev,buf);
}
/*写设备属性val*/
staticssize_thello_val_store(structdevice*dev,structdevice_attribute*attr,constchar*buf,size_tcount){
structhello_android_dev*hdev=(structhello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);
return__hello_set_val(hdev,buf,count);
}
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：
/*读取设备寄存器val的值，保存在page缓冲区中*/
staticssize_thello_proc_read(char*page,char**start,off_toff,intcount,int*eof,void*data){
if(off>0){
*eof=1;
return0;
}
return__hello_get_val(hello_dev,page);
}
/*把缓冲区的值buff保存到设备寄存器val中去*/
staticssize_thello_proc_write(structfile*filp,constchar__user*buff,unsignedlonglen,void*data){
interr=0;
char*page=NULL;
if(len>PAGE_SIZE){
printk(KERN_ALERT"Thebuffistoolarge:%lu.\n",len);
return-EFAULT;
}
page=(char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);
if(!page){
printk(KERN_ALERT"Failedtoallocpage.\n");
return-ENOMEM;
}
/*先把用户提供的缓冲区值拷贝到内核缓冲区中去*/
if(copy_from_user(page,buff,len)){
printk(KERN_ALERT"Failedtocopybufffromuser.\n");
err=-EFAULT;
gotoout;
}
err=__hello_set_val(hello_dev,page,len);
out:
free_page((unsignedlong)page);
returnerr;
}
/*创建/proc/hello文件*/
staticvoidhello_create_proc(void){
structproc_dir_entry*entry;
entry=create_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME,0,NULL);
if(entry){
entry->owner=THIS_MODULE;
entry->read_proc=hello_proc_read;
entry->write_proc=hello_proc_write;
}
}
/*删除/proc/hello文件*/
staticvoidhello_remove_proc(void){
remove_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME,NULL);
}
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：
staticint__hello_setup_dev(structhello_android_dev*dev){
interr;
dev_tdevno=MKDEV(hello_major,hello_minor);
memset(dev,0,sizeof(structhello_android_dev));
cdev_init(&(dev->dev),&hello_fops);
dev->dev.owner=THIS_MODULE;
dev->dev.ops=&hello_fops;
/*注册字符设备*/
err=cdev_add(&(dev->dev),devno,1);
if(err){
returnerr;
}
/*初始化信号量和寄存器val的值*/
init_MUTEX(&(dev->sem));
dev->val=0;
return0;
}
/*模块加载方法*/
staticint__inithello_init(void){
interr=-1;
dev_tdev=0;
structdevice*temp=NULL;
printk(KERN_ALERT"Initializinghellodevice.\n");
/*动态分配主设备和从设备号*/
err=alloc_chrdev_region(&dev,0,1,HELLO_DEVICE_NODE_NAME);
if(err<0){
printk(KERN_ALERT"Failedtoallocchardevregion.\n");
gotofail;
}
hello_major=MAJOR(dev);
hello_minor=MINOR(dev);
/*分配helo设备结构体变量*/
hello_dev=kmalloc(sizeof(structhello_android_dev),GFP_KERNEL);
if(!hello_dev){
err=-ENOMEM;
printk(KERN_ALERT"Failedtoallochello_dev.\n");
gotounregister;
}
/*初始化设备*/
err=__hello_setup_dev(hello_dev);
if(err){
printk(KERN_ALERT"Failedtosetupdev:%d.\n",err);
gotocleanup;
}
/*在/sys/class/目录下创建设备类别目录hello*/
hello_class=class_create(THIS_MODULE,HELLO_DEVICE_CLASS_NAME);
if(IS_ERR(hello_class)){
err=PTR_ERR(hello_class);
printk(KERN_ALERT"Failedtocreatehelloclass.\n");
gotodestroy_cdev;
}
/*在/dev/目录和/sys/class/hello目录下分别创建设备文件hello*/
temp=device_create(hello_class,NULL,dev,"%s",HELLO_DEVICE_FILE_NAME);
if(IS_ERR(temp)){
err=PTR_ERR(temp);
printk(KERN_ALERT"Failedtocreatehellodevice.");
gotodestroy_class;
}
/*在/sys/class/hello/hello目录下创建属性文件val*/
err=device_create_file(temp,&dev_attr_val);
if(err<0){
printk(KERN_ALERT"Failedtocreateattributeval.");
gotodestroy_device;
}
dev_set_drvdata(temp,hello_dev);
/*创建/proc/hello文件*/
hello_create_proc();
printk(KERN_ALERT"Succeddedtoinitializehellodevice.\n");
return0;
destroy_device:
device_destroy(hello_class,dev);
destroy_class:
class_destroy(hello_class);
destroy_cdev:
cdev_del(&(hello_dev->dev));
cleanup:
kfree(hello_dev);
unregister:
unregister_chrdev_region(MKDEV(hello_major,hello_minor),1);
fail:
returnerr;
}
/*模块卸载方法*/
staticvoid__exithello_exit(void){
dev_tdevno=MKDEV(hello_major,hello_minor);
printk(KERN_ALERT"Destroyhellodevice.\n");
/*删除/proc/hello文件*/
hello_remove_proc();
/*销毁设备类别和设备*/
if(hello_class){
device_destroy(hello_class,MKDEV(hello_major,hello_minor));
class_destroy(hello_class);
}
/*删除字符设备和释放设备内存*/
if(hello_dev){
cdev_del(&(hello_dev->dev));
kfree(hello_dev);
}
/*释放设备号*/
unregister_chrdev_region(devno,1);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("FirstAndroidDriver");
module_init(hello_init);
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makemenuconfig时用到的，而Makefile是执行编译命令make是用到的：
Kconfig文件的内容
configHELLO
tristate"FirstAndroidDriver"
defaultn
help
Thisisthefirstandroiddriver.
Makefile文件的内容
obj-$(CONFIG_HELLO)+=hello.o
在Kconfig文件中，tristate表示编译选项HELLO支持在编译内核时，hello模块支持以模块、内建和不编译三种编译方法，默认是不编译，因此，在编译内核前，我们还需要执行makemenuconfig命令来配置编译选项，使得hello可以以模块或者内建的方法进行编译。
在Makefile文件中，根据选项HELLO的值，执行不同的编译方法。
六.修改arch/arm/Kconfig和drivers/kconfig两个文件，在menu"DeviceDrivers"和endmenu之间添加一行：
source"drivers/hello/Kconfig"
这样，执行makemenuconfig时，就可以配置hello模块的编译选项了。
七.修改drivers/Makefile文件，添加一行：
obj-$(CONFIG_HELLO)+=hello/
八.配置编译选项：
USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common$makemenuconfig
找到"DeviceDrivers"=>"FirstAndroidDrivers"选项，设置为y。
注意，如果内核不支持动态加载模块，这里不能选择m，虽然我们在Kconfig文件中配置了HELLO选项为tristate。要支持动态加载模块选项，必须要在配置菜单中选择Enableloadablemodulesupport选项；在支持动态卸载模块选项，必须要在Enableloadablemodulesupport菜单项中，选择Moduleunloading选项。
九.编译：
USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common$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（LinuxKernel）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$emulator-kernel./kernel/common/arch/arm/boot/zImage&
USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$adbshell
进入到dev目录，可以看到hello设备文件：
root@android:/#cddev
root@android:/dev#ls
进入到proc目录，可以看到hello文件：
root@android:/#cdproc
root@android:/proc#ls
访问hello文件的值：
root@android:/proc#cathello
0
root@android:/proc#echo'5'>hello
root@android:/proc#cathello
5
进入到sys/class目录，可以看到hello目录：
root@android:/#cdsys/class
root@android:/sys/class#ls
进入到hello目录，可以看到hello目录：
root@android:/sys/class#cdhello
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#cdhello
root@android:/sys/class/hello/hello#ls
访问属性文件val的值：
root@android:/sys/class/hello/hello#catval
5
root@android:/sys/class/hello/hello#echo'0' >val
root@android:/sys/class/hello/hello#catval
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。
后续继续整理相关文章资料，希望能帮助研究Android源码的朋友,谢谢大家支持!