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1、基于基于基于基于ARMARM和和和和linuxlinux的开发的开发的开发的开发4/13/2023 武汉创维特武汉创维特Linux应用程序Linux应用程序设计q编写程序编写程序q编写编写MakefileMakefile文件文件q编译编译q运行运行2编写helloworld文件qHelloworldHelloworld程序是一个只在输出控制台上打印出程序是一个只在输出控制台上打印出“hellohello，world”world”字串的程序字串的程序q#include qint main()printf(“hello,world!n”);3编写Makefile文件Linux应用程序设计指定编译器
2、生成的执行文件和链接过程中的目标文件 编译和链接的参数 编译命令 拷贝helloworld映像文件到/tftpboot/examples中清除4编译器q 编译x86平台采用的gcc编译器#gcc o helloworld helloworld.cq 编译ARM平台采用的arm-linux-gcc编译器#arm-linux-gcc o helloworld helloworld.c5编译q#/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc o helloworld helloworld.cq 如果有Makefile文件#make6Linux应用程序运行1Linux应
3、用程序设计q应用程序运行可以采用如下两种方式：应用程序运行可以采用如下两种方式：q在在LinuxLinux内内核启动起来，并且有办法从主机获取文件时，核启动起来，并且有办法从主机获取文件时，可以在可以在LinuxLinux控制台直接从主机获取编译后的应用程序。控制台直接从主机获取编译后的应用程序。可以通过可以通过ftpftp、nfsnfs、sshssh等方式达到。等方式达到。q也可以在编译应用程序后将该应用程序拷贝到也可以在编译应用程序后将该应用程序拷贝到ramdiskramdisk中，然后重新制作中，然后重新制作ramdiskramdisk，并更新并更新ramdiskramdisk文件系统，
4、文件系统，此时新的程序将在文件系统中。此时新的程序将在文件系统中。7Linux应用程序运行2q JXARM9-2410通过NFS将主机的/tftpboot/目录挂接到目标机的/mnt/nfs目录下q#mount 192.168.1.180:/tftpboot/mnt/nfs#cd/mnt/nfs/examples#./helloworld8Linux应用程序运行3Linux应用程序设计q重新编译内核时，通常将应用程序添加到重新编译内核时，通常将应用程序添加到LinuxLinux文件系统文件系统的的binbin目录，该目录有全局路径。且该文件目录，该目录有全局路径。且该文件应该具有执行属性应该具
5、有执行属性，可以通过如下命令修改：可以通过如下命令修改：chmodchmod 777 777 leddemoleddemo在新内核启动后，直接在命令行输入文件名即可运行。在新内核启动后，直接在命令行输入文件名即可运行。q当直接在当直接在LinuxLinux控制台中从主机上获取应用程序时，必须控制台中从主机上获取应用程序时，必须保存到可写的位置，且通过如下命令执行该程序：保存到可写的位置，且通过如下命令执行该程序：././leddemoleddemo9配置Linux应用程序启动后自动运行Linux应用程序设计q如果需要在系统启动以后自动运行如果需要在系统启动以后自动运行helloworldhel
6、loworld程序，需要程序，需要编辑编辑ramdiskramdisk中的启动脚本文件，该文件为中的启动脚本文件，该文件为root/rd/etc/init.d/root/rd/etc/init.d/rcSrcS使用使用vivi编辑器编辑，在该文件最后添加如下脚本：编辑器编辑，在该文件最后添加如下脚本：/bin/bin/helloworldhelloworld该脚本将启动后运行该脚本将启动后运行helloworldhelloworld ，直到程序退出。或直到程序退出。或/bin/bin/helloworld helloworld&它将在它将在后台运行后台运行helloworldhelloworl
7、d，不影响其他的程序运行。不影响其他的程序运行。10linux驱动程序Linux驱动程序设计qLinuxLinux下对外设的访问只能通过驱动程序进行下对外设的访问只能通过驱动程序进行qLinuxLinux具有统一的驱动程序接口，以文件操作的方式管理驱具有统一的驱动程序接口，以文件操作的方式管理驱动程序动程序，如：，如：openopen、readread、writewrite、ioctlioctlq驱动程序是内核的一部分，可以使用中断、驱动程序是内核的一部分，可以使用中断、DMADMA等操作等操作q驱动程序需要在用户态和内核态之间传递数据驱动程序需要在用户态和内核态之间传递数据11设备驱动程序的
8、概念q 对硬件的控制涉及寄存器中各位的操作，通常这些操作与设备直接相关并且对时序的要求非常严格，如果这些工作都交由应用程序员来负责，那么对硬件设备的编程将变得异常复杂而困难。驱动程序的作用正是要屏蔽硬件的这些底层细节，从而简化应用程序的编写。q 操作系统一般提供设备驱动程序来完成对特定硬件的控制，以建立应用程序和设备之间的抽象接口，而不是应用程序直接操作硬件。12设备驱动程序的概念q 设备驱动程序实际是处理和操作硬件控制器的软件，从本质上讲，是内核中具有最高特权级的、驻留内存的、可共享的底层硬件处理例程。q Linux 操作系统将所有的设备全部看成文件，都纳入文件系统的范畴，并通过文件的操作界
9、面进行操作。一般来说，是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以像对其他文件一样对此设备文件进行操作。设备文件的属性由三部分信息组成：文件的类型，主设备号，次设备号13设备驱动程序的概念q 驱动程序是内核的一部分，是操作系统内核与硬件设备的直接接口，驱动程序屏蔽了硬件的细节，完成以下功能：q 对设备初始化和释放q 对设备进行管理，包括实时参数设置，以及提供对设备的操作接口q 读取应用程序传送给设备文件的数据或回送应用程序请求的数据q 检测和处理设备出现的错误14Linux驱动程序Linux驱动程序设计qLinuxLinux屏蔽了应用层对外设的直接访问屏蔽了应用层对外设的直接访问，不能在用户
10、态直，不能在用户态直接进行如下操作：接进行如下操作：*(unsigned char*)0 x02000006)=0 x3e;unsigned char*)0 x02000006)=0 x3e;qLinuxLinux下下用户态无法处理中断用户态无法处理中断qLinuxLinux下下对外设的访问推荐采用驱动程序进行，在内核态对外设的访问推荐采用驱动程序进行，在内核态编写驱动程序（包括直接对外设操作、处理中断等），用户编写驱动程序（包括直接对外设操作、处理中断等），用户态通过标准驱动程序调用方法进行操作。态通过标准驱动程序调用方法进行操作。15Linux驱动程序编译方式Linux驱动程序设计qLin
11、uxLinux中驱动程序的使用可以按照两种方式编译：中驱动程序的使用可以按照两种方式编译：q一种是一种是静态编译进内核静态编译进内核q另一种是编译成模块以供另一种是编译成模块以供动态加载动态加载q由于由于LinuxLinux不不支持模块动态加载支持模块动态加载，而且嵌入式，而且嵌入式LinuxLinux不能够不能够象桌面象桌面LinuxLinux那样灵活的使用那样灵活的使用insmodinsmod/rmmodrmmod加载卸载设备驱动加载卸载设备驱动程序，因而通常在程序，因而通常在LinuxLinux中将设备驱动程序静态编译进内核。中将设备驱动程序静态编译进内核。16Linux下设备驱动程序分
12、类Linux驱动程序设计q字符设备字符设备：是指存取时没有缓存的设备。典型的字符设备：是指存取时没有缓存的设备。典型的字符设备包括鼠标，键盘，串行口等。包括鼠标，键盘，串行口等。q块块设备设备：块设备的读写都有缓存来支持，并且块设备必须：块设备的读写都有缓存来支持，并且块设备必须能够随机存取能够随机存取(randomrandomaccess)access)。典型的块设备主要包括硬典型的块设备主要包括硬盘软盘设备，盘软盘设备，CD-ROMCD-ROM等。等。q网络设备网络设备：LinuxLinux的网络系统主要是基于的网络系统主要是基于BSDBSDunixunix的的socketsocket机制
13、。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构(sksk_buff)_buff)进行数据的传递。系统里支持对发送数据和接收数进行数据的传递。系统里支持对发送数据和接收数据的缓存，提供流量控制机制，提供对多协议的支持。据的缓存，提供流量控制机制，提供对多协议的支持。17Linux下设备驱动程序组成Linux驱动程序设计q自动配置和初始化子程序自动配置和初始化子程序：负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的、设备作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的、设备
14、驱动程序需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序驱动程序需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被调用一次。仅在初始化的时候被调用一次。q服务于服务于I/OI/O请求的子程序请求的子程序：调用这部分是由于系统调用的结果。这部分程序在执行调用这部分是由于系统调用的结果。这部分程序在执行的时候，系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进的时候，系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进程，只是由用户态变成了核心态，具有进行此系统调用程，只是由用户态变成了核心态，具有进行此系统调用的用户程序的运行环境，因此可以在其中调用的用户程序的运行环境，因此可以在其中调用sleep()sleep()
15、等与进程运行环境有关的函数。等与进程运行环境有关的函数。q中断服务子程序中断服务子程序：18Linux下设备驱动程序I/O设备入口点1Linux驱动程序设计q在系统内部，在系统内部，I/OI/O设备的存取通过一组固定的入口点来进设备的存取通过一组固定的入口点来进行，这组入口点是由每个设备的设备驱动程序提供的。而入行，这组入口点是由每个设备的设备驱动程序提供的。而入口点由一个文件操作结构口点由一个文件操作结构(file_operationsfile_operations)向系统进行说明。向系统进行说明。一般来说，字符型设备驱动程序能够提供如下几个入口点：一般来说，字符型设备驱动程序能够提供如下几
16、个入口点：qopenopen：打开设备准备打开设备准备I/OI/O操作。对字符特别设备文件进行操作。对字符特别设备文件进行打开操作，都会调用设备的打开操作，都会调用设备的openopen入口点。入口点。openopen子程序必须对子程序必须对将要进行的将要进行的I/OI/O操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。如果设备是独占的，即同一时刻只能有一个程序访问此设备，如果设备是独占的，即同一时刻只能有一个程序访问此设备，则则openopen子程序必须设置一些标志以表示设备处于忙状态。子程序必须设置一些标志以表示设备处于忙状态。qcloseclose：关闭一
17、个设备。当最后一次使用设备终结后，调关闭一个设备。当最后一次使用设备终结后，调用用closeclose子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。19Linux下设备驱动程序I/O设备入口点2Linux驱动程序设计qwritewrite：往设备上写数据。对于有缓冲区的往设备上写数据。对于有缓冲区的I/OI/O操作，一般操作，一般是把数据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作将是把数据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作将调用调用writewrite子程序。子程序。qioctlioctl：执行读、写之外的操作。执行读、写之外的操作。qselectse
18、lect：检查设备，看数据是否可读或设备是否可用于写检查设备，看数据是否可读或设备是否可用于写数据。数据。selectselect系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描述符时使用述符时使用selectselect入口点。如果设备驱动程序没有提供上述入口点。如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个，系统会用缺省的子程序来代替。对于不入口点中的某一个，系统会用缺省的子程序来代替。对于不同的系统，也还有一些其它的入口点。同的系统，也还有一些其它的入口点。qReadRead：从设备上读数据。对于有缓冲区的从设备上读数据。对于有缓冲区的I/OI/O操作，一般
19、操作，一般是从缓冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作将调是从缓冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作将调用用readread子程序。子程序。20Linux下设备驱动程序I/O设备入口点3q 在用户自己的驱动程序中，首先要根据驱动程序的功能，完成 file_operations 结构中的函数的实现q 不需要的函数接口可以直接在 file_operations 结构中初始化为 NULLq 每个进程对设备的操作，都会根据主次设备号，转换成对 file_operations 结构的访问21设备驱动程序的开发过程q 查看原理图，理解设备的工作原理。q 定义设备号。设备由一个主设备号和一个次设备
20、号来标识。主设备号惟一标识了设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表项的索引q 实现初始化函数。在驱动程序中实现驱动的注册和卸载q 设计所要实现的文件操作，定义 file_operations 结构22设备驱动程序的开发过程q实现所需的文件操作调用，如 read、write 等q实现中断服务，并用 request_irq 向内核注册，中断并不是每个设备驱动所必需的。q编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载模块q测试该设备，编写应用程序，对驱动程序进行测试23Linux下设备注册1Linux驱动程序设计q设备驱动程序所提供的入口点，在设备驱动程序初始化的设备驱动程序所提
21、供的入口点，在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登记，以便系统在适当的时候调用。时候向系统进行登记，以便系统在适当的时候调用。LinuxLinux系系统里，通过调用统里，通过调用register_register_chrdevchrdev向系统注册字符型设备驱动向系统注册字符型设备驱动程序。程序。register_register_chrdevchrdev定义为：定义为：#include include.h#include#include.hintint register_ register_chrdevchrdev(unsigned(unsigned int int major,const
22、char*name,major,const char*name,struct struct file_operations*fops);file_operations*fops);q其中，其中，majormajor是为设备驱动程序向系统申请的主设备号，是为设备驱动程序向系统申请的主设备号，如果为如果为0 0则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号。则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号。namename是设备名。是设备名。fopsfops是该驱动各个的入口点的文件操作结构指针。是该驱动各个的入口点的文件操作结构指针。24Linux下设备注册2Linux驱动程序设计q此函数返回此函数返回0 0
23、表示成功。返回表示成功。返回-EINVALEINVAL表示申请的主设备号表示申请的主设备号非法，一般来说是主设备号大于系统所允许的最大设备号。非法，一般来说是主设备号大于系统所允许的最大设备号。返回返回-EBUSYEBUSY表示所申请的主设备号正在被其它设备驱动程序表示所申请的主设备号正在被其它设备驱动程序使用。如果是动态分配主设备号成功，此函数将返回所分配使用。如果是动态分配主设备号成功，此函数将返回所分配的主设备号。如果的主设备号。如果register_register_chrdevchrdev操作成功，设备名就会出操作成功，设备名就会出现在现在/proc/devicesproc/devi
24、ces文件里。文件里。q初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请系统资源，包初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请系统资源，包括内存、中断、时钟、括内存、中断、时钟、I/OI/O端口等，这些资源也可以在端口等，这些资源也可以在openopen子子程序或别的地方申请。在这些资源不用的时候，应该释放它程序或别的地方申请。在这些资源不用的时候，应该释放它们，以利于资源的共享。们，以利于资源的共享。25Linux下中断处理Linux驱动程序设计q在在LinuxLinux系统里，对中断的处理是属于系统核心的部分，系统里，对中断的处理是属于系统核心的部分，因此如果设备与系统之间以中断方式进行数据交换的话，就
25、因此如果设备与系统之间以中断方式进行数据交换的话，就必须把该设备的驱动程序作为系统核心的一部分。设备驱动必须把该设备的驱动程序作为系统核心的一部分。设备驱动程序通过调用程序通过调用request_request_irqirq函数来申请中断，通过函数来申请中断，通过free_free_irqirq来来释放中断。释放中断。26Linux下内存分配、释放Linux驱动程序设计q作为系统核心的一部分，作为系统核心的一部分，设备驱动程序在申请和释放内存设备驱动程序在申请和释放内存时不是调用时不是调用mallocmalloc和和freefree，而代之以调用而代之以调用kmallockmalloc和和kf
26、reekfree，它们被定义为：它们被定义为：#include include/kernel.hvoid*void*kmalloc kmalloc(unsigned(unsigned int len int len,int int priority);priority);voidvoid kfree kfree(void*(void*obj obj););q参数参数lenlen为希望申请的字节数，为希望申请的字节数，objobj为要释放的内存指针。为要释放的内存指针。prioritypriority为分配内存操作的优先级，即在没有足够空闲内存为分配内存操作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操
27、作，一般用时如何操作，一般用GFP_KERNELGFP_KERNEL。27Linux下内存分配、释放Linux驱动程序设计q使用一个没有申请的使用一个没有申请的I/OI/O端口不会使端口不会使CPUCPU产生异常，也就不产生异常，也就不会导致诸如会导致诸如“segmentation fault”segmentation fault”一类的错误发生。任何一类的错误发生。任何进程都可以访问任何一个进程都可以访问任何一个I/OI/O端口。此时系统无法保证对端口。此时系统无法保证对I/OI/O端口的操作不会发生冲突，甚至会因此而使系统崩溃。端口的操作不会发生冲突，甚至会因此而使系统崩溃。q因此，在使用
28、因此，在使用I/OI/O端口前，应该检查此端口前，应该检查此I/OI/O端口是否已有别端口是否已有别的程序在使用，若没有，再把此端口标记为正在使用，在使的程序在使用，若没有，再把此端口标记为正在使用，在使用完以后释放它。用完以后释放它。intint check_regioncheck_region(unsigned(unsigned int int from,unsigned from,unsigned int int extent);extent);void void request_regionrequest_region(unsigned(unsigned int int from,un
29、signed from,unsigned int int extent,extent,const char*name);const char*name);void void release_regionrelease_region(unsigned(unsigned int int from,unsigned from,unsigned int int extent);extent);28Linux下开关中断函数Linux驱动程序设计q在设备驱动程序里，通过如下函数实现打开和关闭中断功在设备驱动程序里，通过如下函数实现打开和关闭中断功能：能：#include include/system.h#
30、define#define clicli()_()_asmasm_ _volatile_(_ _volatile_(clicli:):)#define#define stisti()_()_asmasm_ _volatile_(_ _volatile_(stisti:):)29Linux下用户态和核心态数据访问Linux驱动程序设计q在设备驱动程序里，还可能会用到如下的一些系统函数：在设备驱动程序里，还可能会用到如下的一些系统函数：#include#include/segment.hvoid void memcpymemcpy_ _fromfsfromfs(void*to,const void
31、*from,unsigned long(void*to,const void*from,unsigned long n);n);voidvoid memcpymemcpy_ _tofstofs(void*to,const void*from,unsigned long(void*to,const void*from,unsigned long n);n);q在用户程序调用在用户程序调用read read、writewrite时，因为进程的运行状态由时，因为进程的运行状态由用户态变为核心态，地址空间也变为核心地址空间。而用户态变为核心态，地址空间也变为核心地址空间。而readread、write
32、write中参数中参数bufbuf是指向用户程序的私有地址空间的，所以不能是指向用户程序的私有地址空间的，所以不能直接访问，必须通过上述两个系统函数来访问用户程序的私有直接访问，必须通过上述两个系统函数来访问用户程序的私有地址空间。地址空间。memcpymemcpy_ _fromfsfromfs由用户程序地址空间往核心地址空间由用户程序地址空间往核心地址空间复制，复制，memcpymemcpy_ _tofstofs则反之。参数则反之。参数toto为复制的目的指针，为复制的目的指针，fromfrom为为源指针，源指针，n n为要复制的字节数。为要复制的字节数。30Linux下设备驱动程序举例Linux驱动程序设计q模块加载模块加载q设备初始化设备初始化q设备入口点实现设备入口点实现31静态编译驱动程序进内核Linux驱动程序设计模块初始化函数32设备初始化Linux驱动程序设计文件操作结构声明33设备入口点实现Linux驱动程序设计readwrite34基于ARM和Linux的开发谢谢！35