1. 背景
Robot OS 中我们要定制一些自己的系统服务，比如前面文章提到的 MQTT 长连接服务以及机器人移动控制的运动服务，有一些自定义的音频，比如麦克风阵列还涉及到驱动开发。本文介绍在基于 Android9.0 系统的 Robot OS 中开发一个最简单的驱动示例。
2. 准备工作
Robot OS 使用的板子是基于瑞芯微 3399 Pro 处理器的开源开发板，厂家提供了开源的硬件设计和内核代码，我们下载源码压缩包解压后既可直接编译出完整系统镜像。
驱动程序的开发我们参考网上示例，实现一个最简单 4 字节寄存器，别人教程基于低版本的 Linux 内核，我们使用的是 4.4 版本，使用到的 API 上略微有些差异。
3. 定义功能
接下来我们开始编写我们的代码。在kernel/drivers下面新建 demo 目录，并在 demo 目录下新建 demo.h 文件：
#ifndef _DEMO_ANDROID_H_#define _DEMO_ANDROID_H_ #include <linux/cdev.h>#include <linux/semaphore.h> #define DEMO_DEVICE_NODE_NAME "demo"#define DEMO_DEVICE_FILE_NAME "demo"#define DEMO_DEVICE_PROC_NAME "demo"#define DEMO_DEVICE_CLASS_NAME "demo" struct demo_android_dev { int val; struct semaphore sem; struct cdev dev;}; #endif
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这个头文件定义了一些字符串常量宏，此外，还定义了一个字符设备结构体 demo_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，这是 Linux 驱动程序自定义字符设备结构体的标准方法。
我们还看到用到两个头文件：
4. 功能实现
在 demo 目录中增加 demo.c 文件，作为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。我们提供三种访问设备寄存器的方法：
#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 "demo.h" /*主设备和从设备号变量*/static int demo_major = 0;static int demo_minor = 0; /*设备类别和设备变量*/static struct class* demo_class = NULL;static struct demo_android_dev* demo_dev = NULL; /*传统的设备文件操作方法*/static int demo_open(struct inode* inode, struct file* filp);static int demo_release(struct inode* inode, struct file* filp);static ssize_t demo_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);static ssize_t demo_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos); /*设备文件操作方法表*/static struct file_operations demo_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = _open, .release = demo_release, .read = demo_read, .write = demo_write, }; /*访问设置属性方法*/static ssize_t demo_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf);static ssize_t demo_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count); /*定义设备属性*/static DEVICE_ATTR(val, S_IRUGO | S_IWUSR, demo_val_show, demo_val_store);
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4.1 定义传统的设备文件访问方法
这里主要是定义 demo_open、demo_release、demo_read 和 demo_write 这四个打开、释放、读和写设备文件的方法：
/*打开设备方法*/static int demo_open(struct inode* inode, struct file* filp) { struct demo_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, struct demo_android_dev, dev); filp->private_data = dev; return 0;} /*设备文件释放时调用，空实现*/static int demo_release(struct inode* inode, struct file* filp) { return 0;} /*读取设备的寄存器val的值*/static ssize_t demo_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) { ssize_t err = 0; struct demo_android_dev* dev = filp->private_data; /*同步访问*/ if(down_interruptible(&(dev->sem))) { return -ERESTARTSYS; } if(count < sizeof(dev->val)) { goto out; } /*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; goto out; } err = sizeof(dev->val); out: up(&(dev->sem)); return err;} /*写设备的寄存器值val*/static ssize_t demo_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) { struct demo_android_dev* dev = filp->private_data; ssize_t err = 0; /*同步访问*/ if(down_interruptible(&(dev->sem))) { return -ERESTARTSYS; } if(count != sizeof(dev->val)) { goto out; } /*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; goto out; } err = sizeof(dev->val); out: up(&(dev->sem)); return err;}
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我们看到这里面主要用到了 linux 系统函数：
container_of
down_interruptible
copy_from_user
copy_from_user
4.2 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 demo_val_show 和 demo_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__demo_get_val和__demo_set_val：
/*读取寄存器val的值到缓冲区buf中，内部使用*/static ssize_t __demo_get_val(struct demo_android_dev* dev, char* buf) { int val = 0; /*同步访问*/ if(down_interruptible(&(dev->sem))) { return -ERESTARTSYS; } val = dev->val; up(&(dev->sem)); return snprintf(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*/static ssize_t __demo_set_val(struct demo_android_dev* dev, const char* buf, size_t count) { int val = 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)); return count;} /*读取设备属性val*/static ssize_t demo_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) { struct demo_android_dev* hdev = (struct demo_android_dev*)dev_get_drvdata(dev); return __demo_get_val(hdev, buf);} /*写设备属性val*/static ssize_t demo_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) { struct demo_android_dev* hdev = (struct demo_android_dev*)dev_get_drvdata(dev); return __demo_set_val(hdev, buf, count);}
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这里我们用到了：
up
simple_strtol
dev_get_drvdata
4.3 定义通过 proc 文件系统访问方法
主要实现了 demo_proc_read 和 demo_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 demo_create_proc 和 demo_remove_proc：
/*读取设备寄存器val的值，保存在page缓冲区中*/static ssize_t demo_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) { if(off > 0) { *eof = 1; return 0; } return __demo_get_val(demo_dev, page);} /*把缓冲区的值buff保存到设备寄存器val中去*/static ssize_t demo_proc_write(struct file* filp, const char __user *buff, unsigned long len, void* data) { int err = 0; char* page = NULL; if(len > PAGE_SIZE) { printk(KERN_ALERT"The buff is too large: %lu.\n", len); return -EFAULT; } page = (char*)__get_free_page(GFP_KERNEL); if(!page) { printk(KERN_ALERT"Failed to alloc page.\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"Failed to copy buff from user.\n"); err = -EFAULT; goto out; } err = __demo_set_val(demo_dev, page, len); out: free_page((unsigned long)page); return err;} /*创建/proc/demo*/static void demo_create_proc(void) { struct proc_dir_entry* entry; entry = create_proc_entry(DEMO_DEVICE_PROC_NAME, 0, NULL); if(entry) { entry->owner = THIS_MODULE; entry->read_proc = demo_proc_read; entry->write_proc = demo_proc_write; }} /*删除/proc/demo*/static void demo_remove_proc(void) { remove_proc_entry(DEMO_DEVICE_PROC_NAME, NULL);}
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这是低版本内核的代码，在我们环境中直接编译时报错，发现 4.4 版本有些 API 做了修改：
create_proc_entry()函数已经被 proc_create()函数取代，在 proc_fs.h 头文件里也没有此函数(proc_create是在 kernel 3.10 以及之后的版本中新增的)，我们使用 proc_create()函数替换 create_proc_entry：
#include <linux/module.h>#include <linux/moduleparam.h>#include <linux/init.h>#include <linux/kernel.h> #include <linux/proc_fs.h>#include <asm/uaccess.h>#define BUFSIZE 100
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");MODULE_AUTHOR("Liran B.H");
static int irq=20;module_param(irq,int,0660);
static int mode=1;module_param(mode,int,0660);
static struct proc_dir_entry *ent;
static ssize_t mywrite(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t count, loff_t *ppos) { int num,c,i,m; char buf[BUFSIZE]; if(*ppos > 0 || count > BUFSIZE) return -EFAULT; if(copy_from_user(buf, ubuf, count)) return -EFAULT; num = sscanf(buf,"%d %d",&i,&m); if(num != 2) return -EFAULT; irq = i; mode = m; c = strlen(buf); *ppos = c; return c;}
static ssize_t myread(struct file *file, char __user *ubuf,size_t count, loff_t *ppos) { char buf[BUFSIZE]; int len=0; if(*ppos > 0 || count < BUFSIZE) return 0; len += sprintf(buf,"irq = %d\n",irq); len += sprintf(buf + len,"mode = %d\n",mode); if(copy_to_user(ubuf,buf,len)) return -EFAULT; *ppos = len; return len;}
static struct file_operations myops = { .owner = THIS_MODULE, .read = myread, .write = mywrite,};
static int simple_init(void){ ent=proc_create("mydev",0666,NULL,&myops); printk(KERN_ALERT "demo...\n"); return 0;}
static void simple_cleanup(void){ proc_remove(ent); printk(KERN_WARNING "bye ...\n");}
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5. 定义模块加载和卸载方法
这里配置执行设备注册和初始化操作：
/*初始化设备*/static int __demo_setup_dev(struct demo_android_dev* dev) { int err; dev_t devno = MKDEV(demo_major, demo_minor); memset(dev, 0, sizeof(struct demo_android_dev)); cdev_init(&(dev->dev), &demo_fops); dev->dev.owner = THIS_MODULE; dev->dev.ops = &demo_fops; /*注册字符设备*/ err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1); if(err) { return err; } /*初始化信号量和寄存器val的值*/ init_MUTEX(&(dev->sem)); dev->val = 0; return 0;} /*模块加载方法*/static int __init demo_init(void){ int err = -1; dev_t dev = 0; struct device* temp = NULL; printk(KERN_ALERT"Initializing demo device.\n"); /*动态分配主设备和从设备号*/ err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, DEMO_DEVICE_NODE_NAME); if(err < 0) { printk(KERN_ALERT"Failed to alloc char dev region.\n"); goto fail; } demo_major = MAJOR(dev); demo_minor = MINOR(dev); /*分配demo设备结构体变量*/ demo_dev = kmalloc(sizeof(struct demo_android_dev), GFP_KERNEL); if(!demo_dev) { err = -ENOMEM; printk(KERN_ALERT"Failed to alloc demo_dev.\n"); goto unregister; } /*初始化设备*/ err = __demo_setup_dev(demo_dev); if(err) { printk(KERN_ALERT"Failed to setup dev: %d.\n", err); goto cleanup; } /*在/sys/class/目录下创建设备类别目录demo*/ demo_class = class_create(THIS_MODULE, DEMO_DEVICE_CLASS_NAME); if(IS_ERR(demo_class)) { err = PTR_ERR(demo_class); printk(KERN_ALERT"Failed to create demo class.\n"); goto destroy_cdev; } /*在/dev/目录和/sys/class/demo目录下分别创建设备文件demo*/ temp = device_create(demo_class, NULL, dev, "%s", DEMO_DEVICE_FILE_NAME); if(IS_ERR(temp)) { err = PTR_ERR(temp); printk(KERN_ALERT"Failed to create demo device."); goto destroy_class; } /*在/sys/class/demo/demo目录下创建属性文件val*/ err = device_create_file(temp, &dev_attr_val); if(err < 0) { printk(KERN_ALERT"Failed to create attribute val."); goto destroy_device; } dev_set_drvdata(temp, demo_dev); /*创建/proc/demo文件*/ demo_create_proc(); printk(KERN_ALERT"Succedded to initialize demo device.\n"); return 0; destroy_device: device_destroy(demo_class, dev); destroy_class: class_destroy(demo_class); destroy_cdev: cdev_del(&(demo_dev->dev)); cleanup: kfree(demo_dev); unregister: unregister_chrdev_region(MKDEV(demo_major, demo_minor), 1); fail: return err;} /*模块卸载方法*/static void __exit demo_exit(void) { dev_t devno = MKDEV(demo_major, demo_minor); printk(KERN_ALERT"Destroy demo device.\n"); /*删除/proc/demo文件*/ demo_remove_proc(); /*销毁设备类别和设备*/ if(demo_class) { device_destroy(demo_class, MKDEV(demo_major, demo_minor)); class_destroy(demo_class); } /*删除字符设备和释放设备内存*/ if(demo_dev) { cdev_del(&(demo_dev->dev)); kfree(demo_dev); } /*释放设备号*/ unregister_chrdev_region(devno, 1);} MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_DESCRIPTION("First Android Driver"); module_init(demo_init);module_exit(demo_exit);
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这里面，在 2.6.37 之后的 Linux 内核中, init_mutex 已经被废除了, 新版本使用 sema_init 函数，init_MUTEX(&sem)；修改为sema_init(&sem, 1);。
6. 配置编译环境
我们的模块写好了，需要在内核编译的时候编译上我们的代码，需要在做一些配置：
在 demo 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 make menuconfig 时用到的，而 Makefile 是执行编译命令 make 是用到的：
Kconfig 文件的内容
config DEMO tristate "First Android Driver" default n help This is the first android driver.
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tristate 表示编译选项 DEMO 支持在编译内核时，demo 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 make menuconfig 命令来配置编译选项，使得 demo 可以以模块或者内建的方法进行编译。
Makefile 文件的内容
obj-$(CONFIG_DEMO) += demo.o
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修改 drivers/kconfig 文件，在 menu "Device Drivers"和 endmenu 之间添加一行（2.6.25 旧版本还需要修改 arch/arm/Kconfig，arch/arm/Kconfig 中含有 Drivers 里 Kconfig 内容的一个复本，只对 drivers/kconfig 修改会导致无效）：
source "drivers/hello/Kconfig"
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在 drivers/Makefile 中增加一行：
obj-$(CONFIG_DEMO) += demo/
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回到 kernel 目录执行make menuconfig会弹出 U 操作界面：
在 Device Drivers 菜单下选中 First Android Driver 项为 M，作为 module。然后保存配置，执行 make 命令，就可以看到 CC [M] drivers/demo/demo.o 的 log 了，demo 目录里生成了 demo.o demo.ko 的等文件
因为配置 First Android Driver 为 M(即编为模块，而不是编进 linux 内核)
则.config 中就会多一行CONFIG_DEMO = m
如此一来，drivers/Makefile中obj-$(CONFIG_DEMO) += demo/就变成了obj-m +=demo/
于是执行 make 命令时，便会进入 demo 目录里找 makefile，MakeFile 内容 obj-$(CONFIG_DEMO) += demo.o 变成了 obj-m +=demo.o，所以 demo.c 就被编译成模块了
然后执行编译，烧制，就可以在系统中看到我们的驱动文件了。
7. 总结
本文介绍了 Android9.0 开发内核驱动的一般流程，以及开发一个 4 字节寄存器用到的 linux 函数，并且列出 Linux 内核 4.4 及之前版本接口上的一些区别。后续将完整代码放出，并录制一个完整的流程。
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