Ubuntu中为Android系统上编写Linux内核驱动程序实现方法

        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,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,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,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,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,"%d\n",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,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,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,size_t count) { 
	struct hello_android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev); 
	
	return __hello_set_val(hdev,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,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);
}