2. 驱动章节实验环境搭建

本章主要目的是搭建驱动章节的实验环境,方便后续章节不在实验环境上耗费太多版面, 而是主要讲解设备驱动的原理。当进行实验的时候,不清楚具体细节时再跳转回来看。

首先我们要明白程序最终是运行在开发板上,我们开发板主要使用i.MX6ULL系列处理器, 它包含一个Cortex-A7(ARM的一种高能效处理器架构)内核。开发板上已经移植好相关的环境, 我们只需要将我们写的代码交叉编译成arm架构下的可执行文件。

设备驱动是具有独立功能的程序,它可以被单独编译,但不能独立运行, 在运行时它被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行。也因此想要我们写的内核模块在某个版本的内核上运行, 那么就必须在该内核版本上编译它,如果我们编译的内核与我们运行的内核具备不相同的特性,设备驱动则可能无法运行。

首先我们需要知道内核版本,并准备好该版本的内核源码,使用交叉编译工具编译内核源码; 其次,依赖编译的内核源码编译我们的驱动模块以及设备树文件。最终将驱动模块和设备树拷贝到开发板上运行。

重要

本小节内容涉及的知识点非常多,需要有一定的基础才可理解相关内容。 若不理解部分知识点,跳过即可,接触到相关知识可再回头学习。

本小节知识点是对linux内核所支持的特性(比如设备树、设备树插件),再结合实例演示的,不针对某一款特定的开发板! 大家不必纠结开发板环境。

2.1. 环境准备

既然是编译内核模块,那么这项工作的开始,自然就是构建一遍完整的内核。 当内核能够完整构建之后,我们构建内核模块的操作才可以顺利进行。

2.1.1. 安装工具

在编译源码之前我们需要先准备好交叉编译的环境,安装必要的依赖和工具,

  • gcc-arm-linux-gnueabihf 交叉编译器

  • bison 语法分析器

  • flex 词法分析器

  • libssl-dev OpenSSL通用库

  • lzop LZO压缩库的压缩软件

执行下面的命令即可:

sudo apt install make gcc-arm-linux-gnueabihf gcc bison flex libssl-dev dpkg-dev lzop

2.1.2. 编译内核

注意: 开发板已默认烧录4.19.35版本内核,本章节都不需要烧录我们编译的内核,编译内核是为了辅助编译驱动程序。 如果你有烧录内核的需求请参考 制作系统镜像 系列章节。

2.1.2.1. 获取内核源码

开发板内核使用 Linux npi 4.19.35-imx6 版本,可以使用命令’uname -a’查看。 我们可以从git克隆野火官方提供的Debian镜像内核源码。

克隆命令如下:

github:

git clone -b ebf_4.19.35_imx6ul https://github.com/Embedfire/ebf_linux_kernel.git

gitee:

git clone  https://gitee.com/Embedfire/ebf_linux_kernel_6ull_depth1

提示:因为网络原因从githu克隆困难的用户请使用下面gitee的地址, gitee仓库master分支作为github仓库ebf_4.19.35_imx6ul分支的只保存了最新提交内容(git clone 使用 –depth=1 参数),可以直接使用, 如果需要查看历史提交差异内容可以从github网页里面访问。

2.1.2.2. 进行编译

我们可以单独新建一个工作目录,将内核源码放置在该目录下,切换到内核源码目录,我们可以找到make_deb.sh脚本, 里面有配置好的参数,只需要执行脚本便可编译内核。编译出来的内核相关文件存放位置, 由脚本 make_deb.shbuild_opts="${build_opts} O=build_image/build" 指定。 示例源码指定编译好的内核存放在build_image/build,建议不修改此目录,方便后面编译驱动模块。

内核模块信息 内核模块信息

执行如下命令即可开始构建内核:

./make_deb.sh

构建过程此处我们忽略。

接下来我们不妨简单了解下构建内核的脚本make_deb.sh

2.1.2.3. make_deb.sh脚本

make_deb.sh(内核源码/make_deb.sh)
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deb_distro=bionic
DISTRO=stable
build_opts="-j 6"
build_opts="${build_opts} O=build_image/build"
build_opts="${build_opts} ARCH=arm"
build_opts="${build_opts} KBUILD_DEBARCH=${DEBARCH}"
build_opts="${build_opts} LOCALVERSION=-carp-imx6"

build_opts="${build_opts} KDEB_CHANGELOG_DIST=${deb_distro}"
build_opts="${build_opts} KDEB_PKGVERSION=1${DISTRO}"
build_opts="${build_opts} CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-"
build_opts="${build_opts} KDEB_SOURCENAME=linux-upstream"

make ${build_opts}  npi_v7_defconfig
make ${build_opts}
make ${build_opts}  bindeb-pkg
  • 第4行: 指定编译好的内核放置位置

  • 第5行: 编译出来的目标是针对ARM体系结构的内核

  • 第6行: 对于deb-pkg目标,允许覆盖deb-pkg部署的常规启发式

  • 第7行: 使用内核配置选项“LOCALVERSION”为常规内核版本附加一个唯一的后缀。

  • 第11行: 指定交叉编译器

  • 第14行: 生成配置文件

  • 第16行: 编译文件进行打包

更多内核编译可选的参数,可以参考linux内核官方网址: linux内核编译参数介绍

构建好内核之后,我们可以进行下面的内容学习了。

2.2. 如何编译和加载内核驱动模块

对于linux内核,可以通过两种方式将内核模块添加到内核中:

  • 1、将内核模块编译成内核模块文件,在内核启动后由用户手动动态加载,

  • 2、将模块直接编译到内核中去,内核启动时自动加载。

我们着重第一种方式的讲解。

首先我们需要,获取内核驱动模块示例源码。

github:

git clone https://github.com/Embedfire/embed_linux_driver_tutorial_imx6_code.git

gitee:

git clone https://gitee.com/Embedfire/embed_linux_driver_tutorial_imx6_code.git

将配套驱动程序代码解压到 内核代码同级目录 ,原因是编译内核驱动模块的时候, 驱动程序需要依赖上一小节编译好的内核,在同一目录则无需修改任意配置。

演示的实验代码位于:linux_driver/module/hellomodule

这里不做代码讲解,具体原理请参考 内核模块 章节。

实验环境

2.2.1. 在内核源码外编译

内核驱动模块对象所需的构建步骤和编译很复杂,它利用了linux内核构建系统的强大功能, 当然我们不需要深入了解这部分知识,利用简单的Make工具就能编译出我们想要的内核驱动模块。

cd hellomodule
make
实验环境 实验环境

重要

该目录下的Makefile中指定的目录 “KERNEL_DIR=../../ebf_linux_kernel/build_image/build”要与前面编译的内核所在目录一致。

切换到module/hellomodule目录下,直接执行make命令,即可编译程序。

Makefile(module/hellomodule/Makefile)
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KERNEL_DIR=../../ebf_linux_kernel/build_image/build
ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
export  ARCH  CROSS_COMPILE

obj-m := hellomodule.o

all:
    $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) modules

.PHONE:clean

clean:
    $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURDIR) clean
  • 第1行: 指定编译内核存放位置

  • 第2行: 针对ARM体系结构

  • 第3行: 指定交叉编译工具链

  • 第4行: 导入环境变量

  • 第6行: 表示以模块编译

  • 第8行: all只是个标号,可以自己定义,是make的默认执行目标。

  • 第9行: $(MAKE):MAKE是Makefile中的宏变量,要引用宏变量要使用符号。这里实际上就是指向make程序,所以这里也可以把$(MAKE)换成make.-C:是make命令的一个选项,-C作用是changedirectory. -C dir 就是转到dir目录。M=$(CURDIR):返回当前目录。这句话的意思是:当make执行默认的目标all时,-C(KVDIR)指明跳转到内核源码目录下去执行那里的Makefile,-C $(KERNEL_DIR)指明跳转到内核源码目录下去执行那里的Makefile,M=(CURDIR)表示又返回到当前目录来执行当前的Makefile.

  • 第11行: clean 就是删除后面这些由make生成的文件。

查看module/hellomodule/文件夹,新增hellomodule.ko,这就是我们自己编写、编译的内核驱动模块。

2.2.2. 和内核源码一起编译

  • 待完善

2.2.3. 加载内核驱动模块

编译好内核驱动模块,可以通过多种方式将hellomodule.ko拷贝到开发板,我们这里主要使用NFS网络文件系统或者SCP命令。

NFS环境请搭建请参考Linux系列章节之 挂载MFS网络文件系统 章节。

scp 命令用于 Linux 之间复制文件和目录,scp命令格式如下:

scp local_file remote_username@remote_ip:remote_folder

例如:

scp hellomodule.ko debian@192.168.0.109:/home/debian/

将hellomodule.ko发送到192.168.0.109这个IP的Linux(这里是我的开发板IP)的/home/debian/目录下,开发板用户名为debian, 输入yes,然后验证密码,等待传输完成。这个时候我们开发板就有了hellomodule.ko 这个文件。

实验环境

安装卸载内核驱动模块使用insmod和rmmod,后面章节有对这两个工具的详细介绍,这里不做展开。

sudo insmod hellomodule.ko

sudo rmmod hellomodule.ko

2.3. 设备树编译和加载

Linux3.x以后的版本才引入了设备树,设备树用于描述一个硬件平台的板级细节。 后面我们写的驱动需要依赖设备树,所以在这里先演示如何编译设备树、加载设备树。

这里不做代码讲解,具体原理请参考 Linux设备树 章节

2.3.1. 设备树编译

2.3.1.1. 使用内核中的dtc工具编译

首先我们需要编译好内核(通常只需一次编译好内核,编译内核的时候会生成的dtc工具),内核编译的位置在 内核源码/build_image/build/ ,内核中的dtc工具位置在 内核源码/build_image/build/scripts/dtc/dtc

dtc工具使用示例如下:

# 编译 dts 为 dtb
内核目录/build_image/build/scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o xxx.dtb xxx.dts

实际使用示例,此处为伪代码,仅供参考使用,了解即可:

内核目录/build_image/build/scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o fire-dtb.dtb fire-dts.dts

内核使用dtc工具的命令大致如上所示,实际上设备树中有非常多的依赖关系, 这些依赖关系通过Makefile文件去处理,所以一般情况下, 设备树不仅仅只是通过一个dtc命令就能将编译出来的。

2.3.1.2. 在内核源码中编译设备树(推荐使用)

我们可以尝试着通过内核的构建脚本去编译设备树,我们所要用到的设备树文件都存放在 内核源码/arch/arm/boot/dts/ 里面。

前面提到了编译内核时会自动去编译设备树,但是编译内核很耗时,所以我们推荐使用如下命令只编译设备树。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- npi_v7_defconfig

make ARCH=arm -j4 CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs

如果在内核源码中执行了 make distclean 则必须执行第一条命令,它用于生成默认配置文件, 如果执行过一次就没有必要再次执行,当然再次执行也没有什么问题。 第二条命令开始编译设备树, 参数“-j4”指定多少个线程编译,根据自己电脑实际情况设置,越大编译越快,当然也可以不设置,设备树编译本来就很快。

dtc工具编译

编译成功后生成的设备树文件(.dtb)位于源码目录下的 内核源码/arch/arm/boot/dts , 开发板适配的设备树文件名为 imx6ull-mmc-npi.dtb

2.3.2. 加载设备树

2.3.2.1. 设备树加载方法

替换设备树有下面几种方法。

  • 第一种,简单直接,设备树是在编译到内核中的,所以重新烧写内核这种方式肯定可行。但是烧写内核比较麻烦,可以参考制作系统镜像系列章节。不推荐也不做过多的讲解。

  • 第二种,将我们编译好的设备树或者设备树插件替换掉开发板里面原有的。

我们只介绍第二种,将编译好的新设备树文件,替换开发板 /usr/lib/linux-image-4.19.35-imx6/ 目录下的旧设备树文件即可。

2.3.2.2. 检查设备树加载情况

假设 我们在原来的设备树上添加了新的节点,led_test, 在该节点下有一个设备为 rgb_led_red,我们可以通过以下的方式加载并查看新的设备树是否生效了, 新节点是否添加。

通过SCP或NFS将编译的设备树拷贝到开发板上。替换 /usr/lib/linux-image-4.19.35-imx6/imx6ull-mmc-npi.dtb

uboot在启动的时候负责该目录的设备文件加载到内存,供内核解析使用。输入 sudo reboot 命令重启开发板即可。

设备树中的设备树节点在文件系统中有与之对应的文件,位于“/proc/device-tree”目录。进入“/proc/device-tree”目录如下所示。

查看led_test节点

接着进入led 文件夹,可以发现led节点中定义的属性以及它的子节点,如下所示。

led_test子节点

在节点属性中多了一个name,我们在led节点中并没有定义name属性,这是自从生成的,保存节点名。

这里的属性是一个文件,而子节点是一个文件夹,我们再次进入“rgb_led_red@0x0209C000”文件夹。 里面有compatible name reg status四个属性文件。 我们可以使用“cat”命令查看这些属性文件,如下所示。

查看子节点属性文件

至此,设备树加载成功。

2.4. 设备树插件的编译和加载

Linux4.4以后引入了动态设备树(Dynamic DeviceTree)。设备树插件被动态的加载到系统中,供被内核识别。 编译设备树插件的时候无需重新编译整个设备树插件,只需要编译我们修改的部分即可。

注意设备树插件和设备树不是互相替代的关系,而是互补的关系。设备树插件可以在主设备树定型的情况下, 再对主设备树未描述的功能进行动态的拓展。 比如A板的设备树没有开启串口1的功能,但B板需要开启串口1的功能,那么可以直接沿用A板的设备树, 并用设备树插件拓展出串口1,满足B板的需求。

2.4.1. 在内核编译设备树插件

设备树插件与设备树一样都是使用DTC工具编译,只不过设备树编译为.dtb。而设备树插件需要编译为.dtbo。 我们可以使用DTC编译命令编译生成.dtbo,但是这样比较繁琐、容易出错。

我们将设备树插件dtbo的编译工作也放在了内核编译时来完成, 当然我们单独编译设备树的时候也是可以编译出设备树插件dtbo的。

我们在内核中提供了大量的设备树插件,野火的开发板许多外设硬件描述都是以dtbo插件的形式提供的。 这样使用起来非常灵活。

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如上图,当大家尝试写设备树插件的时候,可以将自己的设备树插件添加到: arch/arm/boot/dts/overlays 目录下, 并修改 arch/arm/boot/dts/overlays/Makefile 文件, 添加编译选项,形如imx-fire-rgb-led.dtbo的添加形式。 将imx-fire-rgb-led.dtbo追加到imx-fire-uart8.dtbo后面即可。

添加好后,可以执行设备树的编译命令,设备树插件的编译也会同步完成。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- npi_v7_defconfig
make ARCH=arm -j4 CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs
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可以看到,编译输出时,dtbo文件也有对应的打印信息。

2.4.2. 内核编译设备树插件过程

编译设备树插件和编译设备树类似,这里介绍内核中的dtc工具编译编译设备树插件的过程。

内核中将xxx.dts 编译为 xxx.dtbo的过程示例,仅供参考:

内核构建目录/scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o xxx.dtbo xxx.dts

例如,将fire-rgb-led-overlay.dts编译为rgb.dtbo

../ebf_linux_kernel/build_image/build/scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o rgb.dtbo fire-rgb-led-overlay.dts

编译好的设备树插件为rgb.dtbo。

当然和编译设备树一样,设备树插件的编译也涉及到依赖关系,所以编译过程也比较复杂。 不仅仅是使用一条命令就可以完成编译的。

2.4.3. 加载设备树插件

2.4.3.1. uboot加载(适用野火linux开发板)

1、可以通过SCP或NFS将.dtbo设备树插件拷贝到开发板 /usr/lib/linux-image-4.19.35-imx6/overlays/ 上,所以下面操作都在开发板上进行。

如下所示:

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2、将对应的设备树插件加载配置,写入uEnv.txt配置文件,系统启动过程中会自动从uEnv.txt读取要加载的设备树插件,

打开位于“/boot”目录下的uEnv.txt文件,如下所示:

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要将设备树插件写入uEnv.txt也很简单,参照着红框内容写即可。书写格式为“dtoverlay=<设备树插件路径>”。

从上图中可以看出在uEnv.txt文件夹下有很多被屏蔽的设备树插件,这些设备树插件是烧写系统时自带的插件, 为避免它们干扰我们的实验,这里可以把它们全部屏蔽掉。

修改完成后保存、退出。执行reboot命令重启系统。重启后正常情况下我们可以在“/proc/device-tree”找与插入的设备节点同名的文件夹。

在“/proc/device-tree”目录下找到与插入的设备树节点同名的文件夹, 进入该文件夹还可以看到该节点拥有的属性以及它的子节点,如下所示。

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看到这些文件,证明已经加载成功了。

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