开发可统计单词个数的Android驱动程序（1）

    Android本质上是基于Linux内核的系统，也就是说Android就是一种Linux操作系统。只不过大多数时候都会运行在ARM架构的设备上，例如，Android手机、平板等。Android驱动实际上就是Linux驱动，只是这里使用Android深度探索（卷1）：安装C/C++交叉编译环境 介 绍的交叉编译器将Linux驱动编译成了ARM架构的，所以驱动可以安装在Android模拟器、Android手机（需要root）或平板上（这些设备 都要使用给予ARM架构的CPU），当然，使用传统的GCC也可以编译成X86架构的驱动（并不需要修改代码），这样也可以在Ubuntu Linux上安装Linux驱动。

      本文及后面几篇文章主要介绍如何利用Android模拟器和S3C6410开发板开发给予ARM架构的Linux驱动，当然，测试的环境是 Android，而不是我们通常使用的Ubuntu Linux等X86架构的系统。最后会介绍通过多种方式测试这个驱动，测试方法包括命令行、NDK、Android程序（Java代码）等，当然，在最最 后还会介绍如果将驱动嵌入到LInux内核中，这样Android在启动是就自动拥有了这个驱动。

      想学习Android底层开发的童鞋可以通过本文完全掌握开发基于Android的LInux驱动的完整步骤。在《Android深度探索（卷1）：HAL与驱动开发》随书光盘上有完整的实验环境（VMWare Ubuntu Linux12.04LTS），如果嫌自己配置麻烦，可以从光盘中复制该虚拟环境，虚拟文件太大（3.6G），传不上去，只能发文章了！

一、Linux驱动到底是个什么东西

       对于从未接触过驱动开发的程序员可能会感觉Linux驱动很神秘。感觉开发起来会很复杂。其实这完全是误解。实际上Linux驱动和普通的LinuxAPI没有本质的区别。只是使用Linux驱动的方式与使用Linux API的方式不同而已。

       在学习Linux驱动之前我们先来介绍一下Linux驱动的工作方式。如果读者以前接触过Windows或其他非Unix体系的操作系统，最好将它们的工作方式暂时忘掉，因为这些记忆会干扰我们理解Linux底层的一些细节。

      Linux驱动的工作和访问方式是Linux的亮点之一，同时受到了业界的广泛好评。Linux系统将每一个驱动都映射成一个文件。这些文件称为设备文件 或驱动文件，都保存在/dev目录中。这种设计理念使得与Linux驱动进行交互就像与普通文件进行交互一样容易。当然，也比访问LinuxAPI更容 易。由于大多数Linux驱动都有与其对应的设备文件，因此与Linux驱动交换数据就变成了与设备文件交换数据。例如，向Linux打印机驱动发送一个 打印命令，可以直接使用C语言函数open打开设备文件，再使用C语言函数ioctl向该驱动的设备文件发送打印命令。

     当然，要编写Linux驱动程序还需要更高级的功能。如向打印机驱动写入数据时，对于打印机驱动来说，需要接收这些被写入的数据，并将它们通过PC的并 口、USB等端口发送给打印机。要实现这一过程就需要Linux驱动可以响应应用程序传递过来的数据。这就是Linux驱动的事件，虽然在C语言里没有事 件的概念，但却有与事件类似的概念，这就是回调（callback）函数。因此，编写Linux驱动最重要的一步就是编写回调函数，否则与设备文件交互的 数据将无法得到处理。图6-1是应用软件、设备文件、驱动程序、硬件之间的关系。

二、编写Linux驱动程序的步骤

      Linux 驱动程序与其他类型的Linux程序一样，也有自己的规则。对于刚开始接触Linux驱动开发的读者可能对如何开发一个LInux驱动程序还不是太了解。 为了解决这部分读者的困惑，本节给出了编写一个基本的Linux驱动的一般步骤。读者可以按着这些步骤循序渐进地学习Linux驱动开发。

第1步：建立Linux驱动骨架（装载和卸载Linux驱动）

     任何类型的程序都有一个基本的结构，例如，C语言需要有一个入口函数main。Linux驱动程序也不例外。Linux内核在使用驱动时首先需要装载驱动。 在装载过程中需要进行一些初始化工作，例如，建立设备文件，分配内存地址空间等。当Linux系统退出时需要卸载Linux驱动，在卸载的过程中需要释放 由Linux驱动占用的资源，例如，删除设备文件、释放内存地址空间等。在Linux驱动程序中需要提供两个函数来分别处理驱动初始化和退出的工作。这两 个函数分别用module_init和module_exit宏指定。Linux驱动程序一般都都需要指定这两个函数，因此包含这两个函数以及指定这两个 函数的两个宏的C程序文件也可看作是Linux驱动的骨架。

第2步：注册和注销设备文件

     任何一个Linux驱动都需要有一个设备文件。否则应用程序将无法与驱动程序交互。建立设备文件的工作一般在第1步编写的处理Linux初始化工作的函数中 完成。删除设备文件一般在第1步编写的处理Linux退出工作的函数中完成。可以分别使用misc_register和misc_deregister函 数创建和移除设备文件。

第3步：指定与驱动相关的信息

     驱动程序是自描述的。例 如，可以通过modinfo命令获取驱动程序的作者姓名、使用的开源协议、别名、驱动描述等信息。这些信息都需要在驱动源代码中指定。通过 MODULE_AUTHOR、MODULE_LICENSE 、MODULE_ALIAS 、MODULE_DESCRIPTION等宏可以指定与驱动相关的信息。

第4步：指定回调函数

     Linux 驱动包含了多种动作，也可称为事件。例如，向设备文件写入数据时会触发“写”事件，Linux系统会调用对应驱动程序的write回调函数，从设备文件读 数据时会触发“读”事件，Linux系统会调用对应驱动程序的read回调函数。一个驱动程序并不一定要指定所有的回调函数。回调函数会通过相关机制进行 注册。例如，与设备文件相关的回调函数会通过misc_register函数进行注册。

第5步：编写业务逻辑

     这 一步是Linux驱动的核心部分。光有骨架和回调函数的Linux驱动是没有任何意义的。任何一个完整的Linux驱动都会做一些与其功能相关的工作，如 打印机驱动会向打印机发送打印指令。COM驱动会根据传输数率进行数据交互。具体的业务逻辑与驱动的功能有关。业务逻辑可能有多个函数、多个文件甚至是多 个Linux驱动模块组成。具体的实现读者可以根据实际情况而定。

第6步：编写Makefile文件

     Linux内核源代码的编译规则是通过Makefile文件定义的。因此编写一个新的Linux驱动程序必须要有一个Makefile文件。

第7步：编译Linux驱动程序

     Linux驱动程序可以直接编译进内核，也可以作为模块单独编译。

第8步：安装和卸载Linux驱动

    如果将Linux驱动编译进内核，只要Linux使用该内核，驱动程序就会自动装载。如果Linux驱动程序以模块单独存在，需要使用insmod或modprobe命令装载Linux驱动模块，使用rmmod命令卸载Linux驱动模块。

  上面8步中的前5步是关于如何编写Linux驱动程序的，通过后3步可以使Linux驱动正常工作。

三、编写Linux驱动程序前的准备工作

     本例的Linux驱动源代码并未与linux内核源代码放在一起，而是单独放在一个目录。首先使用下面的命令建立存放Linux驱动程序的目录。

# mkdir –p  /root/drivers/ch06/word_count

# cd  /root/drivers/ch06/word_count

      然后使用下面的命令建立驱动源代码文件（word_count.c）

# echo '' > word_count.c

      最后编写一个Makefile文件，实际上这是6.2节介绍的编写Linux驱动程序的第6步。当熟悉编写Linux驱动程序的步骤后可以不按6.2节介绍的顺序来编写Linux驱动。

# echo 'obj-m := word_count.o'  > Makefile

     其中obj-m表示将Linux驱动作为模块（.ko文件）编译。如果使用obj-y，则将Linux驱动编译进Linux内核。obj-m或obj-y需 要使用“:=”赋值。如果obj-m或obj-y的值为word_count.o，表示make命令会把Linux驱动源代码目录中的 word_count.c或word_count.s文件编译成word_count.o文件。如果使用obj-m，word_count.o会被连接进 word_count.ko文件，然后使用insmod或modprobe命令装载word_count.ko。如果使用obj- y，word_count.o会被连接进built-in.o文件，最终会被连接进内核。其中built-in.o文件是连接同一类程序的.o文件生成的 中间目标文件。例如，所有的字符设备驱动程序会最终生成一个built-in.o文件。读者可以在/drivers/char目录找到一个built-in.o文件。该目标文件包含了所有可连接进Linux内核的字符驱动（通过make menuconfig命令可以配置每一个驱动及其他内核程序是否允许编译进内核，关于配置Linux内核的技术详见4.2.4节介绍）。

      如果Linux驱动依赖其他程序，如process.c、data.c。需要按如下方式编写Makefile文件。

obj-m := word_count.o

word_count-y := process.o  data.o

其中依赖文件要使用module-y或module-objs指定。module表示模块名，如word_count。

四、编写Linux驱动程序的骨架

     现在编写Linux驱动程序的骨架部分，也就是前面介绍的第1步。骨架部分主要是Linux驱动的初始化和退出函数，代码如下：

       在上面的代码中使用了printk函数。该函数用于输出日志信息（关于printk函数的详细用法将在10.1节详细介绍）。printk函数与 printf函数的用法类似。有的读者可能会有疑问，为什么不用printf函数呢？这里就涉及到一个Linux内核程序可以调用什么，不可以调用什么的 问题。Linux系统将内存分为了用户空间和内核空间，这两个空间的程序不能直接访问。printf函数运行在用户空间，printk函数运行在内核空 间。因此，属于内核程序的Linux驱动是不能直接访问printf函数的。就算包含了stdio.h头文件，在编译Linux驱动时也会抛出 stdio.h文件没找到的错误。当然，运行在用户空间的程序也不能直接调用printk函数。那么是不是用户空间和内核空间的程序就无法交互了呢？答案 是否定的。否则这两块内存不就成了孤岛了吗。运行在这两块内存中的程序之间交互的方法很多。其中设备文件就是一种主要的交互方式（在后面的章节还会介绍 /proc虚拟文件的交互方式）。如果用户空间的程序要访问内核空间，只要做一个可以访问内核空间的驱动程序，然后用户空间的程序通过设备文件与驱动程序 进行交互即可。

      看到这可能有的读者疑问更大了。Linux驱动程序无法直接访问运行在用户空间的程序，那么很多功能就都得自己实现了。例如，在C语言中会经常使用 malloc函数动态分配内存空间，该函数在Linux驱动程序中是无法使用的。那么如何在Linux驱动程序中动态分配内存空间呢？解决类似的问题也很 简单。既然Linux驱动无法直接调用运行在用户空间的函数，那么在Linux内核中就必须要提供替代品。读者可以进入/include目录，该目录的各个子目录中包含了大量的C语言头文件。这些头文件中定义的函数、宏等资源就是运行在用户空间的程序的替代品。 运行在用户空间的函数库对应的头文件在/usr/include目录中。刚才提到的malloc函数在内核空间的替代品是kmalloc（需要包含 slab.h头文件，#include  ）。

注意：用户空 间与内核空间完成同样或类似功能的函数、宏等资源的名称并不一定相同，有的名称类似，如malloc和kmalloc，有的完全是两个不同的名字：如 atoi（用户空间）和simple_strtol（内核空间）、itoa（用户空间）和snprintf（内核空间）。读者在使用内核相关资源时要注意 在一点。

     如果读者想看看前面编写的程序的效果，可以使用下面的命令编译Linux驱动源代码（X86架构）。

# make  -C /usr/src/linux-headers-3.0.0-15-generic M=/root/drivers/ch06/word_count

     在测试Linux驱动未必一定在Android设备上完成。因为Android系统和Ubuntu Linux以及其他Linux发行版本都是基于Linux内核的，大多数Linux驱动程序可以在Ubuntu Linux或其他Linux发行版上测试完再重新用交叉编译器编译成基于ARM架构的目标文件，然后再安装到Android上即可正常运行。由于编译 Linux内核源代码需要使用Linux内核的头文件。为了在Ubuntu Linux上测试驱动程序，需要使用-C命令行参数指定Linux内核头文件的目录（/usr/src/linux-headers-3.0.0-15- generic）。其中linux-headers-3.0.0-15-generic目录是Linux内核源代码目录，在该目录中只有include子 目录有实际的头文件，其他目录只有Makefile和其他一些配置文件，并不包含Linux内核源代码。该目录就是为了开发当前Linux内核版本的驱动 及其他内核程序而提供的（因为在编译Linux驱动时生成目标文件只需要头文件，在进行目标文件链接时只要有相关的目标文件即可，并不需要源代码文件）。 如果以模块方式编译Linux驱动程序，需要使用M指定驱动程序所在的目录（M= root/drivers/ch06/word_count）。

注意：如果读者使用的Linux发行版采用了其他Linux内核，需要为-C命令行参数设置正确的路径。

    执行上面的命令后，会输出如图6-2所示信息。从这些信息可以看出，已经将word_count.c文件编译成了Linux驱动模块文件word_count.ko。

      使用ls命令列出/root/drivers/ch06/word_count目录中的文件后发现，除了多了几个.o和.ko文件，还多了一些其他的文件，如图6-3所示。这些文件是有编译器自动生成的，一般并不需要管这些文件的内容。

     本文编写的Linux驱动程序虽然什么实际的功能都没有，但已经可以作为驱动程序安装在Linux内核空间了。读者可以使用下面的命令安装、查看、卸载Linux驱动，也可以查看由驱动程序输出的日志信息（执行下面命令时需要先进入word_count目录）。

安装Linux驱动

# insmod word_count.ko

查看word_count是否成功安装

# lsmod | grep word_count

卸载Linux驱动

# rmmod word_count

查看由Linux驱动输出的日志信息

# dmesg | grep word_count | tail –n 2

执行上面的命令后，如果输出如图6-4所示的信息说明读者已成功完成本节的学习，可以继续看下一节了。

     dmesg命令实际上是从/var/log/messages（Ubuntu Linux 10.04）或/var/log/syslog（Ubuntu Linux11.10）文件中读取的日志信息，因此也可以执行下面的命令获取由Linux驱动输出的日志信息。

# cat /var/log/syslog | grep word_count | tail –n 2

    执行上面的命令后会输出更多的信息，如图6-5所示。