嵌入式Linux學習筆記(一) 啟航、計划和內核模塊初步體驗

1.總結

　　從事嵌入式行業多年，雖然因為工作原因接觸過嵌入式Linux，也參與過相關產品的底層和應用功能開發，但對於嵌入式Linux的內核，驅動，以及上層開發，仍然停留在初級的水平，沒有過系統深入的去總結整理，隨着工作年限的遞增，越來越感受到這種浮躁感帶來的技術面瓶頸。既然發現了問題，自然就要去解決，回想起我踏入嵌入式行業來的經歷，正是對STM32芯片以及網絡部分的學習總結筆記支撐我走到如今的地步，那么沉淀下來，從嵌入式Linux入門開始整理，層層深入，對嵌入式Linux進行系統的總結也是最符合我目前現狀的解決辦法，這也是我下定決心放棄日常娛樂，開始本系列的由來。

　　嵌入式Linux的掌握學習是很復雜的過程，從最基礎的Linux安裝，shell指令的學習和應用，交叉編譯環境搭建，C語言開發，Linux內核接口，Linux系統接口，在掌握了前面所有知識后，才只是完成了產品開發的基礎構建，這些知識不僅對於學習是難點，對於已經掌握的人來用文字描述清楚，特別是系統/軟件版本引發的編譯，調試問題，如果沒有總結和整理，這部分經驗是文字很難描述的，嵌入式Linux是一門應用開發技術，多練多總結才能積累足夠的知識。另外如果遇到問題，不要着急，要善於使用搜索引擎，嵌入式Linux開發遇到的問題基本都能找到答案，但找到解決方法只是目的之一，如何從這些方法中總結經驗，也是學習中的重要部分，這部分對於開發者更加重要，切記！這是我做嵌入式軟件開發來最重要的經驗。按照正常的預期流程，嵌入式Linux的學習應該是講如何注冊字符型設備，然后按照從易到難的順序在掌握中斷和時鍾，文件系統，塊設備，I2C驅動，LCD驅動，攝像頭驅動，網絡設備驅動，設備樹，然后在講述涉及上層的QT界面，遠程訪問的網絡socket(B/S， C/S框架)，以及應用端的Android平台開發，多線程，多進程同步等知識，這也是大部分開發板的例程方案，可從我經驗來看，如果按照上面的流程是可以覆蓋嵌入式Linux的主要工作需求的(可能部分知識是溢出的)。但是對於開發產品來說，這些只是基礎的技術，而不是應用的產品方案，事實上，對於剛入門的來說，如何從學習思維轉變為工程師開發思維這部分更加重要，從更高維的角度了解嵌入式Linux開發，這也是本系列的目的。我們先制定一個產品目標(可能不符合現有的產品模型)，所有學習都圍繞着此產品來開發。這個系列將不僅僅講述學習嵌入式，而且也講述我根據工作積累的開發經驗，如何完成項目，也方便未踏入行業的人員什么是嵌入式軟件開發。

題目1:基於串口(RS485/RS232)的局域網管理設備

系統架構

       

硬件說明

　　正點原子的I.MX6U-ALPHA開發平台，256MB(DDR3)+256MB/512MB(NAND)核心板。涉及硬件 RS232，GPIO，I2C，SPI, ADC, DAC

學習筆記章節

  嵌入式Linux學習筆記(一) 啟航、計划和體驗

  嵌入式Linux學習筆記(二) 交叉編譯環境和Linux系統編譯、下載

  嵌入式Linux學習筆記(三) 字符型設備驅動--LED的驅動開發

　　嵌入式Linux學習筆記(四) 設備樹和UART驅動開發

　　 嵌入式Linux學習筆記(五) 通訊協議制定和下位機代碼實現

　　嵌入式Linux學習筆記(六) 上位機QT界面實現和通訊實現 

代碼路徑

　　詳細代碼見:https://github.com/zc110747/remote_manage

軟件說明

　　1.上位機軟件支持串口通訊，雙機通訊需要制定協議(可使用自定義協議或者Modbus)，支持界面化管理(目前定義使用QT開發, 與后續的完善計划有關)
　　2.支持文件傳輸，文件傳輸支持斷點重傳(傳輸后文件位於指定文件夾，初步定義為/usr/download)
　　3.能夠查詢內部的一些數據，除顯示已經列出狀態外，支持后期擴展查詢其他狀態

任務分解

　　1. uboot，內核和文件系統的編譯，下載和調試，並集成ssh方便傳輸應用文件調試
　　2. 分模塊完成驅動的開發調試，不過為了方便測試及后期集成，需要同步完成串口驅動，串口通訊協議定義及上位機的軟件框架
　　3. 后期的綜合性功能調試和應用開發(如協議擴展問題，狀態查詢到界面顯示，考慮到協議數據的復用, 后期該數據可能用於網頁界面的狀態顯示或者QT界面的控制)

參考資料

　　1. 宋寶華《Linux設備驅動開發詳解 -- 基於最新的Linux4.0內核》第四章 Linux內核模塊

內核模塊初探

 　本節作為整個系列的起點，重點當然是上面的項目規划和任務分解，不過為了讓文章更豐富，我們可以初步體驗下Linux下的應用和編程，下面代碼將執行在Ubuntu系統，PC端，事實上PC端的Ubuntu可以驗證很多實現，如加載驅動和設備，實現QT界面，進行網絡通訊的應用端測試，所以一定不要忽略這個優勢，本小節的代碼都是在PC端測試完成，用於體驗內核模塊開發的特征。作為內核模塊，可以通關Kernel編譯時加入到內核中，也可以通過insmod/rmmod動態的加載到系統中，為了滿足Linux系統的訪問，內核模塊就需要實現接口用於Linux訪問，開發者只要按照規則用C語言實現這些需要的接口，在按照一定的規則編譯后，就可以使用lsmod/rmmod來加載和移除自定義的模塊，這套規則就是我們掌握內核模塊需要學習的知識，按照功能分為以下接口:

必須模塊

　　模塊加載函數：module_init(func)

　　模塊卸載函數: module_exit(func)

　　模塊許可聲明：MODULE_LICENSE("xxx") 支持的許可有: "GPL", "GPL V2", "GPL and additional right", "Dual BSCD/GPL", "DUAL MPL/GPL", "Proprietary"

可選模塊

　　模塊參數 -- 模塊加載時傳遞變量 module_param(name, charp, S_IRUGO);

　　模塊導出符號 --用於將符號導出，用於其它內核模塊使用。

　　　　EXPORT_SYSMBOL(func)/EXPORT_SYSMBOL_GPL(func)

　　　　注意:Linux內核2.6增加了函數校驗機制，后續模塊需要引入時要在Module.symvers下添加導入函數內核的路徑和symbol。

　　模塊作者 -- MODULE_AUTHOR("xxx")

　　模塊描述 -- MODULE_DESCRIPTION("xxx")

　　模塊版本 -- MODULE_VERSION("xxx")

　　模塊別名 -- MODULE_ALIAS("xxx")

　　模塊設備表 -- MODULE_DEVICE_TABLE, 對於USB或者PCI設備需要支持，表示支持的設備，這部分比較復雜，這里就不在多說，后續如果用到，在詳細去說明。

　　在了解上述模塊的基礎上，就可以實現如下的模塊代碼：

//hello.ko
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>


//extern int add_integar(int a, int b);
static char *buf = "driver";
module_param(buf, charp, S_IRUGO); //模塊參數

static int __init hello_init(void)
{
        int dat = 3; //int dat = add_integar(5, 6);
        printk(KERN_WARNING "hello world enter, %s, %d\n", buf, dat);
        return 0;
}
module_init(hello_init);  //模塊加載函數

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_WARNING "hello world exit\n");
}
module_exit(hello_exit);  　　　　　　　　　　　　//模塊卸載函數

MODULE_AUTHOR("ZC");　　　　　　　　　　　　　　　　//模塊作者
MODULE_LICENSE("GPL v2");                     //模塊許可協議
MODULE_DESCRIPTION("a simple hello module");  //模塊許描述
MODULE_ALIAS("a simplest module");            //模塊別名

使用Makefile文件如下：

ifeq ($(KERNELRELEASE),)
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
modules:
        $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:
        $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules_install
clean:
        rm -rf *.o *.ko .depend *.mod.o *.mod.c modules.*
.PHONY:modules modules_install clean
else
obj-m :=hello.o
endif

保存后，使用Make即可編譯，如果遇到編譯錯誤，請先查看文章最后的備注，未包含問題請搜索或者留言，編譯結果如圖所示。

 

之后執行指令modinfo hello.ko即可查看當前的模塊信息。

如果無法查看信息，可通過dmesg查看加載信息。

內核模塊的跨模塊調用

　　上一節可以解決我們遇到的大部分內核實現問題，但某些時候我們可能需要一些公共內核模塊，提供接口給大部分模塊使用，這就涉及到內核模塊的跨模塊調用。

　　對於跨核模塊調用的實現，對於調用的模塊，主要包含2步：

　　　　1、在代碼實現中添加extern int add_integar(int a, int b);

　　　　2、在編譯環境下修改Module.symvers, 添加被鏈接模塊的地址，函數校驗值(可通過查看被鏈接模塊編譯環境下的Module.symvers內復制即可)

　　對於被鏈接的模塊，代碼實現如下:

//math.ko
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

static int __init math_init(void)
{
    printk(KERN_WARNING "math enter\n");
    return 0;
}
module_init(math_init);

static void __exit math_exit(void)
{
    printk(KERN_WARNING "math exit\n");
}
module_exit(math_exit);

int add_integar(int a, int b)
{
        return a+b;
}
EXPORT_SYMBOL(add_integar);

int sub_integar(int a, int b)
{
        return a-b;
}
EXPORT_SYMBOL(sub_integar);

MODULE_LICENSE("GPL V2");

編譯Makefile同上，需要將obj-m :=hello.o修改為obj-m :=math.o

執行make編譯完成該文件，並通過insmod加載完模塊后，可通過

grep integar /proc/kallsyms 查看加載在內核中的符號，狀態如下：

然后加載insmod hello.ko, 即可跨文件調用該接口。如此，便初步完成對Linux內核模塊的學習。

備注

1.內核編譯名稱必須為Makefile，否則編譯會出錯

　make[2]: *** No rule to make target `/usr/kernel/hello/Makefile'.  Stop.

　make[1]: *** [_module_/usr/kernel/hello] Error 2

　make[1]: Leaving directory `/usr/src/linux-headers-3.5.0-23-generic'

2.Makefile的內容，如果編譯多個文件obj-m :=hello.o test.o

3.Makefile中，指令必須以Tab對齊，否則編譯會異常。

4.printk不打印，一般來說輸出的KERNEL_INFO為超過最大輸出值，可直接通過dmesg，在系統信息內查看。

5.內核跨文件訪問接口

除EXPORT_SYSMBOL外，在編譯時Module.symvers需要包含對應函數的校驗值，路徑

0x13db98c9      sub_integar     /usr/kernel/math/math   EXPORT_SYMBOL

0xe1626dee      add_integar     /usr/kernel/math/math   EXPORT_SYMBOL

否則編譯時報警告

WARNING: "add_integar" [/usr/kernel/hello/hello.ko] undefined!

安裝模塊時出錯

[ 9091.025357] hello: no symbol version for add_integar

[ 9091.025360] hello: Unknown symbol add_integar (err -22)