设备类(Device Class) 和 设备节点(Device Node)是深入 Linux 设备管理和驱动模型的核心基础。它们就像“骨骼”与“门户”,共同构建了 Linux 与硬件交互的核心桥梁。
一、设备类与设备节点
1. 设备类 (/sys/class/)
作用:
设备类是一个内核抽象,用于对设备进行逻辑分类和在内核内部管理。提供标准化接口和统一管理框架。它定义了一类设备应该怎么操作。
核心价值:
① 驱动开发简化:驱动开发者只需专注于硬件操作(填充设备类规定的操作函数集 `struct file_operations`、`struct block_device_operations` 等),而无需从头造轮子实现`open/read/write/ioctl`等逻辑流程。
②应用开发简化:*应用开发者只要知道设备类型(字符/块)和通用接口(文件操作),就可以读写 任何此类设备,无需关心底层是硬盘、U盘还是内存盘。
③内核组织性:** 在内核内部,设备类有效地将数以万计的驱动和硬件实例归类管理。分类:
第一类:字符设备驱动
字符设备特点:按字节,顺序进行读写访问设备。不具备缓冲功能,对这种设备的读写是实时的。大部分的设备属于字符设备。如:传感器、鼠标、显示器、键盘、RTC、LED。
第二类:块设备驱动—U盘(USB口是蓝色的—3.0口---高速口)
块设备:按照一定字节大小(如512K)的块,随机读写访问的大容量 FLASH硬盘
第三类:网路设备—网卡
网络设备:使用套接字来实现网络数据的收发的设备—网口—标准口。如有线网卡、无线网卡、蓝牙。
体现:/sys/class/目录是其在用户空间的直观体现。每个子目录代表一种接口规范(`tty`, `block`, `input`, `net`等)。
2、设备节点 (/dev/
)
作用:
用户空间程序与内核驱动和设备交互的桥梁或入口点。用户程序像读写普通文件一样打开 (open)、读写 (read/write)、控制 (ioctl) 这个文件,内核会将这些操作拦截并重定向到与该设备节点相关联的设备驱动(通过其主设备号找到驱动)和设备实例(通过次设备号)。
核心价值:
①统一的访问模型:“一切皆文件”哲学的核心体现。应用程序只需使用标准文件 I/O 操作(`open`, `read`, `write`, `ioctl`, `close`)即可与硬件交互。
②实例标识:主设备号 用来表示某一类驱动,如鼠标,键盘都可以归类到USB驱动中。次设备号 用来表示这个驱动下的各个设备。比如第几个鼠标,第几个键盘等。
体现: /dev/ 目录下的特殊文件(`/dev/sda1`, `/dev/ttyUSB0`, `/dev/input/event0`等),由 `udev` 根据内核信息动态管理。
设备节点与设备号的关系总结:
- 设备号是内核用来识别驱动和设备的内部数字标识;设备节点是用户空间程序访问硬件或内核功能的文件路径入口。
- 每个设备节点在其元数据中存储了一个设备号(主+次)。这个设备号就是指向内核中具体驱动和设备的“指针”。
- 无论是手动 mknod 还是 udev 自动创建,都需要知道要绑定的设备号是什么,才能创建出指向正确驱动和设备的节点。
总结:设备类定义了设备的类型,并指导了设备节点的创建和管理,它们通过设备号和 sysfs(虚拟文件系统) 联系在一起.
二、模块简介
Linux操作系统以其广泛的兼容性和灵活性著称,能够运行在各种不同的硬件体系架构上,如ARM架构和x86架构等。此外,Linux还支持无数种I/O设备(包括传感器等),每种设备通常需要一个特定的驱动程序才能正常工作。由于这些设备和硬件的多样性,将所有可能需要的驱动程序都直接编译进内核并不现实,也不高效。因此,Linux内核采用了模块化的设计思想。
模块化设计的优势:
①最小内核镜像:Linux发行版通常包含一个最小的内核镜像,这个镜像只包含通用的、基础的功能。这样做的好处是减少了内核的大小,提高了启动速度,同时也减少了内存占用。
②动态加载和卸载:除了最小内核镜像外,其他功能(如特定的驱动程序)以模块的形式存在。这些模块在系统运行时可以按需动态加载到内核中,也可以在不使用时动态卸载。这种机制提高了系统的灵活性和可扩展性。
③硬件兼容性:模块化设计使得Linux能够更容易地支持各种硬件设备。当新的硬件设备出现时,只需开发相应的驱动程序模块,而无需重新编译整个内核。
④安全性:通过动态加载和卸载模块,系统管理员可以更容易地管理内核功能,限制不必要的内核模块加载,从而在一定程度上提高系统的安全性。
常见的模块:
(1)Linux系统非必须的驱动程序(必要的驱动程序已经整合到内核代码中了)
(2)供其他程序使用的工具函数集合,类似于用户空间的库函数。
(3)Linux系统非必须的,扩展的功能。
在内核配置菜单中,可以将模块设置为编译进内核(内核启动时自动加载模块,无法卸载,模块成为内核的一部分),配置选项<*>; 也可以设置为编译成外部模块(内核启动时不会自动加载模块,需要手动命令加载和卸载),配置选项<M>; 也可以将模块设置为不编译,配置选项<>。 使用:make menuconfig
三、模块的基本构成
1、头文件
最基本的是以下两个头文件,后续用到的宏都在这两个头文件中定义
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
补充:内核源码里面的API函数—调用对应的头文件的时候,会自动从顶层路径下的include文件夹里面查找
注意:在驱动模块代码中不能使用任何标准C库提供的函数,即不能包含标准C库头文件,如#include <stdio.h>、 #include<string.h>、#include <unistd.h>等,也不能进行浮点运算。
内核为模块提供了专用的字符串处理接口<对应头文件#include <linux/string.h>>和打印函数printk(定义在<#include <linux/printk.c>>)。
2、全局变量的定义和子函数的实现(可选)
在Linux内核模块开发中,全局变量的定义和子函数的实现是模块功能实现的基础。当这些全局变量或函数需要被其他模块使用时,就需要通过符号导出机制来使它们对其他模块可见。同时,模块在加载时也可以接受外部传递的参数,这通过模块传参机制实现。
①符号导出
符号导出是指将模块中的全局变量或函数导出,以便其他模块可以使用它们--->模块与模块之间调用全局函数或变量。这通过EXPORT_SYMBOL或EXPORT_SYMBOL_GPL宏来实现。
1:不指定许可证情形
EXPORT_SYMBOL(需要导出的变量名或函数名):不做许可证声明的模块也可以使用该全局变量或函数导出,不限制使用模块的许可证类型。
内核源码里面的导出函数使用:
/* platform dependent support */
EXPORT_SYMBOL(strcat);
EXPORT_SYMBOL(strcpy);
EXPORT_SYMBOL(strlen);
EXPORT_SYMBOL(strncpy);
EXPORT_SYMBOL(strncat);
EXPORT_SYMBOL(strchr);
EXPORT_SYMBOL(strrchr);
EXPORT_SYMBOL(memmove);
2:指定许可证情形
EXPORT_SYMBOL_GPL(需要导出的变量名或函数名):必须做GPL、GPLv2或Dual BSD/GPL 许可证声明的模块才可以使用该全局变量或函数导出
注意:只有导出后,其它模块才能使用
②模块传参
模块传参允许在加载模块时传递参数给模块中的全局变量。这通过module_param和module_param_array宏来实现。
1:非数组的单个变量的情形
原型:module_param(name,type,perm);
参数:
name:变量的名字
type:变量的类型
perm:访问的权限
2:数组变量的情形
原型:module_param_array(name, type,&num,perm);
参数:
name:表示数组的名字;
type:表示数组元素的类型;
num :存放传入参数元素数量,使用时候这里要写一个变量的地址。
perm:表示参数的访问权限;
宏参数的说明:
(1)name :需要传入参数的变量名。
(2)type:参数类型,需要与变量类型兼容
注意:char* p; 要将这个p的类型传递进来的话,需要使用类型:charp
(3)perm:参数对应文件的访问权限,权限值在<linux/stat.h>中定义
#define S_IRWXU 00700
#define S_IRUSR 00400
#define S_IWUSR 00200
如果perm取以上的值,则内核会自动生成文件 /sys/module/模块名/parameters/参数名(开发板),将参数的值保存在该文件中,perm的值指明了该文件的访问权限。如果perm取值0, 则不会生成该文件,即不指定权限。
3、模块加载函数(模块的入口)
驱动程序的入口函数的基本写法:
名称自定义,建议以“设备名或模块名_init”的形式---作用:驱动程序要看到__init才能确定后面的函数是入口函数
宏__init-->只在编译到内核时有效,此类函数会在系统初始化时加载到虚拟内存空间的.init段,自动被调用,在完成后被废弃,所有占用内存空间被收回。
/驱动模块的入口函数实现
static int __init xxx_init(void)
{return 0;
}//标记该函数是模块加载函数
module_init(xxx_init);
4、模块卸载函数(模块的出口)
出口函数主要的功能是当将对应的驱动程序卸载掉的时候,会执行出口函数里面的内容。
名称自定义,建议以“设备名或模块名 __exit”的形式
宏__exit-->只在编译到内核时有效,编译到内核时此类函数被废弃,所占用的内存被释放,永远不会被调用。
//驱动模块的出口函数实现
static void __exit xxx_exit(void)
{//函数实现
}//标记该函数为卸载函数
module_exit(xxx_exit);
5、模块许可证声明
作用:防止侵权的问题
下面是常见的3种声明,只需要声明一种。
MODULE_LICENSE(“GPL”);
MODULE_LICENSE(“GPL v2”);
MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL”);
其他的许可证:“GPL and additional rights”、 “Dual MPL/GPL”
不做模块许可声明的后果:
1)内核会抱怨:模块污染了内核,但是不会影响功能的使用。
2)EXPORT_SYSMBOL_GPL导出的变量或函数无法被调用,除非调用中做了兼容GPL的许可声明。
6、模块相关信息(可选)
常见的有模块的作者,模块的描述,模块的版本等.
MODULE_AUTHOR(“模块作者”);
MODULE_DESCRIPTION(“针对模块的简单描述”); --功能描述
MODULE_VERSION(“模块版本V1.1”);
内核源码里面:MODULE_AUTHOR("Fenghua Yu <fenghua.yu@intel.com>");
7、模块编译流程
①编写模块代码
使用C语言编写内核模块代码,通常包括模块入口函数(module_init)、模块出口函数(module_exit)以及模块许可声明(MODULE_LICENSE)。
②设置头文件
包含必要的头文件,如<linux/module.h>、<linux/init.h>等。
③编写Makefile
1:定义变量--->在Makefile中定义变量,如内核源码目录(KERNEL_DIR)和要编译的模块名(obj-m)。
2:编写编译规则--->编写make命令的规则,用于编译内核模块
使用的make命令模式如下:
make -C <内核源码目录> M = <模块源码目录> modules
-C <内核源码目录>:告诉make切换到指定的内核源码目录并执行后续的命令。这个目录通常包含内核的配置文件(如.config)、Makefile以及所有内核源码文件。
M=<模块源码目录>:指定模块源码的根目录。这个目录应该包含一个Makefile,该Makefile定义了要编译的模块(通过obj-m变量)。
modules:这是传递给内核构建系统的目标,指示它编译指定的模块。
④编译模块
1:进入模块目录--->打开终端,进入包含模块代码和Makefile的目录。
2:执行make命令--->在该目录下执行make命令,根据Makefile中的规则编译模块。
3:生成.ko文件--->编译成功后,会生成一个以.ko为后缀的文件,这是内核模块的二进制文件
8、模块加载的命令
insmod
作用:加载对应驱动模块,服务于入口函数
用法: insmod 模块名.ko [模块参数列表]
功能: 向内核中加载指定的模块
选项: 传入给模块内部使用的参数,将参数赋值给模块内部的变量
rmmod
用法:rmmod [-f] 模块名
功能:从内核中将指定的模块移除,服务于出口函数
注意:正常情况下,rmmod 无法移除正在被使用的,或设计为不可移除的。
但是如果指定了-f或-force,并且在编译内核时CONFIG_MODULE_FORCE_UNLOAD被设置有效,则rmmod会强制移除指定的模块,不安全,不建议使用。
lsmod
功能 : 依据/proc/modules中的内容,列出已载入内核的模块信息
输出信息:
module(模块名) Size (模块大小 ,字节数) Used(被引用计数) by(被....使用)
lsmod | grep 模块名称的关键词 //常用该命令查看感兴趣的模块是否已载入内核
depmod -a
作用:同步模块与模块之间的依赖关系,放到modules.dep文件里面。
modprobe
用法:modprobe [-r] 模块名
功能:向内核中的加载指定的模块,或从内核中移除指定的被引用次数为0的模块
选项:没有 -r 选项 表示加载(类似:insmod作用)
有 -r选项 表示移除
参数:模块名,不是文件名 ----一定不要加后缀.ko
备注:该命令是智能版的insmod 和rmmod,它可以依据模块的依赖关系将执行模块及其依赖的被引用次数为0的模块一并加载或移除。但前提是必须事先准备好/lib/modules/内核版本号/modules.dep,并且将相关模块文件放在/lib/modules/内核版本号/目录下。
modinfo
功能:显示指定模块的详细信息
使用:modinfo 模块名
备注:必须事先准备好/lib/modules/内核版本号/modules.dep 文件。
四、模块代码编写与实现
示例1:使用模块出入函数,观察现象
//驱动模块代码实现
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
//模块的入口实现
static int __init xxx_init(void)
{//输出观察一下printk("hello\n");return 0;
}//模块的出口实现
static void __exit xxx_exit(void)
{//输出观察一下printk("world\n");}module_init(xxx_init);//标记该函数为入口函数
module_exit(xxx_exit);//标记该函数为卸载函数
MODULE_LICENSE("GPL");//模块许可证声明
编写一个Makefile的文件:
#设置obj-m目标
obj-m += hello.o # 指定了要编译的模块目标文件,hello.o是由hello.c(或其他相关文件)编译而来的。编译后,会生成hello.ko,这是Linux内核模块的文件格式。
#内核源码的路径
KDIR ?=/home/huzhiyuan/work/rk3399/kernel-rockchip #?= 表示如果KDIR没有被定义,则使用后面的值作为默认值。
#编译指令
modules:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
#这部分定义了一个名为modules的目标。
# -C $(KDIR) 告诉make切换到KDIR指定的目录(内核源码目录)去执行make命令。
# M=$(PWD) 指定了当前模块源码目录的路径(PWD是当前工作目录的完整路径)。
# modules 是告诉内核构建系统我们要编译的是模块。
clean:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean
# 这部分定义了一个名为clean的目标(或规则)。
# 它用于清理编译过程中生成的文件。
# 命令与modules目标类似,但最后是clean,告诉内核构建系统我们要清理模块编译生成的文件。
使用的指令:
①加载模块
root@SOM-RK3399v2:~# insmod hello.ko
root@SOM-RK3399v2:~# dmesg
dmesg 用于显示内核环缓冲区(ring buffer)的内容
对应的现象:
②卸载模块
root@SOM-RK3399v2:~# rmmod hello.ko
root@SOM-RK3399v2:~# dmesg
dmesg 用于显示内核环缓冲区(ring buffer)的内容
对应的现象:
注意:insmod这个指令会运行入口函数,rmmod 这个指令会运行出口函数
示例2:验证printk的输出等级
#define KERN_EMERG KERN_SOH "0" /* system is unusable */
#define KERN_ALERT KERN_SOH "1" /* action must be taken immediately */
#define KERN_CRIT KERN_SOH "2" /* critical conditions */
#define KERN_ERR KERN_SOH "3" /* error conditions */
#define KERN_WARNING KERN_SOH "4" /* warning conditions */
#define KERN_NOTICE KERN_SOH "5" /* normal but significant condition */
#define KERN_INFO KERN_SOH "6" /* informational */
#define KERN_DEBUG KERN_SOH "7" /* debug-level messages */
日志等级的主要作用是区分消息的重要性和紧急程度,而不是决定消息的输出顺序。
注意:①内核有一个控制台日志级别设置,只有级别高于或等于此设置的消息才会被输出到控制台,默认设置为4;如果一个消息的级别低于控制台日志级别,那么它就不会被输出到控制台,即使它的数字等级更低。
//驱动模块代码实现
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>//模块的入口实现
static int __init hello_init(void)
{printk("hello\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "hello world--7\n");printk(KERN_INFO "hello world--6\n");printk(KERN_NOTICE "hello world--5\n");printk(KERN_WARNING "hello world--4\n");printk(KERN_ERR "hello world--3\n");printk(KERN_CRIT "hello world--2\n");printk(KERN_ALERT "hello world--1\n");printk(KERN_EMERG "hello world--0\n");return 0;
}
//模块的出口实现
static void __exit hello_exit(void)
{printk("world\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "good bye--7\n");printk(KERN_INFO "good bye--6\n");printk(KERN_NOTICE "good bye--5\n");printk(KERN_WARNING "good bye--4\n");printk(KERN_ERR "good bye--3\n");printk(KERN_CRIT "good bye--2\n");printk(KERN_ALERT "good bye--1\n");printk(KERN_EMERG "good bye--0\n");
}module_init(hello_init);//标记该函数为入口函数
module_exit(hello_exit);//标记该函数为卸载函数
MODULE_LICENSE("GPL");//模块许可证声明
现象:
示例3:模块与模块之间调用对应的函数-->符号导出
模块A
//驱动模块代码实现
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>static int add(int a,int b)
{return a+b;
}
//导出函数
EXPORT_SYMBOL_GPL(add);static int sub(int a,int b)
{return a-b;
}
//导出函数
EXPORT_SYMBOL_GPL(sub);//模块的入口实现
static int __init hello_init(void)
{printk("hello\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "hello world--7\n");printk(KERN_INFO "hello world--6\n");printk(KERN_NOTICE "hello world--5\n");printk(KERN_WARNING "hello world--4\n");printk(KERN_ERR "hello world--3\n");printk(KERN_CRIT "hello world--2\n");printk(KERN_ALERT "hello world--1\n");printk(KERN_EMERG "hello world--0\n");return 0;
}static void __exit hello_exit(void)
{printk("world\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "good bye--7\n");printk(KERN_INFO "good bye--6\n");printk(KERN_NOTICE "good bye--5\n");printk(KERN_WARNING "good bye--4\n");printk(KERN_ERR "good bye--3\n");printk(KERN_CRIT "good bye--2\n");printk(KERN_ALERT "good bye--1\n");printk(KERN_EMERG "good bye--0\n");
}module_init(hello_init);//标记该函数为入口函数
module_exit(hello_exit);//标记该函数为卸载函数
MODULE_LICENSE("GPL");//模块许可证声明
模块B
//驱动模块代码实现
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>//声明外部函数
extern int add(int a,int b);
extern int sub(int a,int b);//模块的入口实现
static int __init hello_init(void)
{printk("hello\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "hello world--7\n");printk(KERN_INFO "hello world--6\n");printk(KERN_NOTICE "hello world--5\n");printk(KERN_WARNING "hello world--4\n");printk(KERN_ERR "hello world--3\n");printk(KERN_CRIT "hello world--2\n");printk(KERN_ALERT "hello world--1\n");printk(KERN_EMERG "hello world--0\n");printk("add:%d\r\n", add(25,25));return 0;
}static void __exit hello_exit(void)
{printk("world\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "good bye--7\n");printk(KERN_INFO "good bye--6\n");printk(KERN_NOTICE "good bye--5\n");printk(KERN_WARNING "good bye--4\n");printk(KERN_ERR "good bye--3\n");printk(KERN_CRIT "good bye--2\n");printk(KERN_ALERT "good bye--1\n");printk(KERN_EMERG "good bye--0\n");printk("sub:%d\r\n", sub(100,25));
}module_init(hello_init);//标记该函数为入口函数
module_exit(hello_exit);//标记该函数为卸载函数
MODULE_LICENSE("GPL");//模块许可证声明
现象:
示例4:模块与模块之间调用对应的变量-->符号导出
模块A
//驱动模块代码实现
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>int add=55;
//导出函数
EXPORT_SYMBOL_GPL(add);int sub=66;
//导出函数
EXPORT_SYMBOL_GPL(sub);//模块的入口实现
static int __init hello_init(void)
{printk("hello\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "hello world--7\n");printk(KERN_INFO "hello world--6\n");printk(KERN_NOTICE "hello world--5\n");printk(KERN_WARNING "hello world--4\n");printk(KERN_ERR "hello world--3\n");printk(KERN_CRIT "hello world--2\n");printk(KERN_ALERT "hello world--1\n");printk(KERN_EMERG "hello world--0\n");return 0;
}static void __exit hello_exit(void)
{printk("world\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "good bye--7\n");printk(KERN_INFO "good bye--6\n");printk(KERN_NOTICE "good bye--5\n");printk(KERN_WARNING "good bye--4\n");printk(KERN_ERR "good bye--3\n");printk(KERN_CRIT "good bye--2\n");printk(KERN_ALERT "good bye--1\n");printk(KERN_EMERG "good bye--0\n");
}module_init(hello_init);//标记该函数为入口函数
module_exit(hello_exit);//标记该函数为卸载函数
MODULE_LICENSE("GPL");//模块许可证声明
模块B
//驱动模块代码实现
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>//声明外部变量
extern int add;
extern int sub;//模块的入口实现
static int __init hello_init(void)
{printk("hello\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "hello world--7\n");printk(KERN_INFO "hello world--6\n");printk(KERN_NOTICE "hello world--5\n");printk(KERN_WARNING "hello world--4\n");printk(KERN_ERR "hello world--3\n");printk(KERN_CRIT "hello world--2\n");printk(KERN_ALERT "hello world--1\n");printk(KERN_EMERG "hello world--0\n");printk("add:%d\r\n", add);return 0;
}
//模块的出口实现
static void __exit hello_exit(void)
{printk("world\n");//将其他等级输出一下printk(KERN_DEBUG "good bye--7\n");printk(KERN_INFO "good bye--6\n");printk(KERN_NOTICE "good bye--5\n");printk(KERN_WARNING "good bye--4\n");printk(KERN_ERR "good bye--3\n");printk(KERN_CRIT "good bye--2\n");printk(KERN_ALERT "good bye--1\n");printk(KERN_EMERG "good bye--0\n");printk("sub:%d\r\n", sub);
}module_init(hello_init);//标记该函数为入口函数
module_exit(hello_exit);//标记该函数为卸载函数
MODULE_LICENSE("GPL");//模块许可证声明
示例5:模块与模块之间传参 -->模块传参
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>int num;
static int age = 22;
static char *name = "hello";
static int arr[5]={1,2,3,4,5};module_param(age, int, 0644); // 定义名为age的模块参数,类型为int,权限为0644
module_param(name,charp, 0644); // 定义名为name的模块参数,类型为charp,权限为0644
module_param_array(arr,int,&num,S_IRWXU);// 定义名为arr的模块参数,类型为int,权限为S_IRWXU(00700)static int __init hello_init(void)
{int i;printk("Age: %d\n", age);printk("Name: %s\n", name);for(i = 0;i < 5;i++){printk("arr[%d]=%d\n",i,arr[i]);}return 0;
}static void __exit hello_exit(void)
{printk("Goodbye!\n");
}module_init(hello_init);//标记该函数为入口函数
module_exit(hello_exit);//标记该函数为卸载函数
MODULE_LICENSE("GPL");//模块许可证声明
现象:
修改前:
修改后: