Ubuntu中为Android系统上编写Linux内核驱动程序实现方法

摘要：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...

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Android Market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Linux Device Drivers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（Linux Kernel）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$ cd kernel/common/drivers

USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common/drivers$ mkdir hello

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> #define HELLO_DEVICE_NODE_NAME "hello" #define HELLO_DEVICE_FILE_NAME "hello" #define HELLO_DEVICE_PROC_NAME "hello" #define HELLO_DEVICE_CLASS_NAME "hello" struct hello_android_dev { int val; struct semaphore sem; struct cdev dev; }; #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*/ static int hello_major = 0; static int hello_minor = 0; /*设备类别和设备变量*/ static struct class* hello_class = NULL; static struct hello_android_dev* hello_dev = NULL; /*传统的设备文件操作方法*/ static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp); static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp); static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos); static ssize_t hello_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 hello_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = hello_open, .release = hello_release, .read = hello_read, .write = hello_write, }; /*访问设置属性方法*/ static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf); static ssize_t hello_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, 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*/ static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp) { struct hello_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 hello_android_dev, dev); filp->private_data = dev; return 0; } /*设备文件释放时调用，空实现*/ static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp) { return 0; } /*读取设备的寄存器val的值*/ static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) { ssize_t err = 0; struct hello_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 hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) { struct hello_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; }

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*/ static ssize_t __hello_get_val(struct hello_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, "%dn", 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 __hello_set_val(struct hello_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 hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) { struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev); return __hello_get_val(hdev, buf); } /*写设备属性val*/ static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) { struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_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*/ static ssize_t hello_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) { if(off > 0) { *eof = 1; return 0; } 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*/ static ssize_t hello_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 = __hello_set_val(hello_dev, page, len); out: free_page((unsigned long)page); return err; } /*创建/proc/hello文件*/ static void hello_create_proc(void) { struct proc_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*/ static void hello_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：

static int __hello_setup_dev(struct hello_android_dev* dev) { int err; dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor); memset(dev, 0, sizeof(struct hello_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) { 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 hello_init(void){ int err = -1; dev_t dev = 0; struct device* temp = NULL; printk(KERN_ALERT"Initializing hello device.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"Failed to alloc char dev region.n"); goto fail; } hello_major = MAJOR(dev); hello_minor = MINOR(dev); /*分配helo设备结构体变量*/ hello_dev = kmalloc(sizeof(struct hello_android_dev), GFP_KERNEL); if(!hello_dev) { err = -ENOMEM; printk(KERN_ALERT"Failed to alloc hello_dev.n"); goto unregister; } /*初始化设备*/ err = __hello_setup_dev(hello_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hello*/ hello_class = class_create(THIS_MODULE, HELLO_DEVICE_CLASS_NAME); if(IS_ERR(hello_class)) { err = PTR_ERR(hello_class); printk(KERN_ALERT"Failed to create hello class.n"); goto destroy_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"Failed to create hello device."); goto destroy_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"Failed to create attribute val."); goto destroy_device; } dev_set_drvdata(temp, hello_dev); /*创建/proc/hello文件*/ hello_create_proc(); printk(KERN_ALERT"Succedded to initialize hello device.n"); return 0; 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: return err; } /*模块卸载方法*/ static void __exit hello_exit(void) { dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor); printk(KERN_ALERT"Destroy hello device.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("First Android Driver"); 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 HELLO

tristate "First Android Driver"

default n

help

This is the first android driver.

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make menuconfig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 "Device Drivers"和endmenu之间添加一行：

source "drivers/hello/Kconfig"

这样，执行make menuconfig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$ make menuconfig

找到"Device Drivers" => "First Android Drivers"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Enable loadable module support选项；在支持动态卸载模块选项，必须要在Enable loadable module support菜单项中，选择Module unloading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（Linux Kernel）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$ adb shell

进入到dev目录，可以看到hello设备文件：

root@android:/ # cd dev

root@android:/dev # ls

进入到proc目录，可以看到hello文件：

root@android:/ # cd proc

root@android:/proc # ls