1、Linux 設備驅動介紹及開發環境搭建

1.1 Linux 設備驅動介紹

1.1.1 分類及特色

• 計算機系統的硬件主要由 CPU、存儲器和外設組成。
  • 當前 CPU 內部都集成有存儲器和外設適配器。
  • 外設適配器有入 UART、IIC 控制器、SPI 控制器、USB 控制器、SDRAM 控制器等，有的 CPU 還集成有 GPU（圖形處理器）、視頻編輯器等。
• 驅動針對的對象是存儲器和外設（包含 CPU 內部集成的存儲器和外設），而不是針對 CPU 內核。Linux 將存儲器和外設分爲 3 個基礎大類：
  • 字符設備：必須以串行順序依次進行訪問的設備，如觸摸屏、磁帶驅動器、鼠標等。
  • 塊設備：能夠按任意順序進行訪問，以塊爲單位進行操做，如硬盤、eMMC等
  • 網絡設備：面向數據包的接收和發送而設計，並不傾向於對應於文件系統的節點。

1.1.2 設備驅動與整個軟硬件的系統的關係

        

• 除網絡設備外，字符設備與塊設備都被映射到 Linux 文件系統的文件和目錄，經過文件系統的系統調用接口 open()、write() 等便可訪問字符設備和塊設備。全部字符設備和塊設備都統一呈現給用戶。
• Linux 的塊設備有兩種訪問方法：
  • 一種是相似於 dd 命令對應的原始塊設備，如 」/dev/sdb1「 等
  • 另外一種方式是在塊設備上創建 FAT、EXT四、BTRFS 等文件系統，而後以文件路徑如 "/home/barry/hello.txt" 的形式進行訪問
  • 在 Linux 中，針對 NOR、NAND 等提供了獨立的內存技術設備( Memory Technology Device，MTD) 子系統，其上裕興 YAFFS二、JFFS二、UBIFS 等具有擦除和負載均衡能力的文件系統
  • 針對磁盤或者 Flash 設備的 FAT、EXT四、YAFFS二、JFFS二、UBIFS 等文件系統定義了文件和目錄在存儲介質上的組織。
  • Linux 的虛擬文件系統對上述進行了統一的抽象
• 應用程序可使用 Linux 的系統調用接口編程，也可使用 C 庫函數。

1.2 QEMU 環境創建

1.2.1 虛擬機環境搭建

　　略過

1.2.2 安裝 uboot-tools

• 用來生成 u-boot 引導的鏡像文件
• sudo apt-get install u-boot-tools

1.2.3 安裝交叉編譯工具鏈

• 交叉編譯是一種計算機環境中編譯程序，在另外一種環境下運行。或者說在一個平臺上編譯生成在另外一個平臺上運行的可執行代碼
• ABI 和 EABI
  • ABI：二進制應用程序接口(Application Binary Interface(ABI) for the ARM Architecture)，在計算機中，應用二進制接口描述了應用程序（或者其餘類型）和操做系統之間或其餘應用程序的低級接口，涵蓋了數據類型的大小，佈局和對齊，調用約定
  • EABI：嵌入式 ABI，嵌入式應用二進制接口指定了文件格式，數據類型，寄存器使用，堆積組織優化和在一個嵌入式軟件中的參數的標準約定
  • arm-none-gnueabi-linux 比 arm-linux-gcc 要好，在可移植性、兼容性上面
  • 早期的 u-boot 和 linux 編譯可能使用的都不是一個 arm-linux-gcc 版本
• 安裝
  • sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi
  • sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf
  • sudo apt-get install g++-arm-linux-gnueabi
  • sudo apt-get install g++-arm-linux-gnueabihf

　　

1.2.4 QEMU 安裝

• QEMU 是一個模擬器，能夠模擬CPU，ARM、X8六、MIPS 等架構
• 能夠仿真 ARM 處理器：ARM926E、ARM1136，cortex-A8/A9 等
• 模擬真實的開發板、外設：串口、LCD、網卡、USB、SD 卡...
• 使用 QEMU 能夠作的事情：
  • 研究內核虛擬化
  • 模擬 CPU， 對於芯片公司，流片以前在 QEMU 上作驗證、仿真、軟硬件協同設計，開發 BSP 和驅動
  • 模擬開發板，在模擬平臺上進行系統軟件開發、驅動開發
  • 學生、工程師能夠利用 qemu-system-arm 學習嵌入式開發、研究 bootloader、Linux 內核\驅動開發、應用開發等。
• 聯網安裝：sudo apt-get install qemu qemu-system-common qemu-system qemu-system-arm
• 輸入命令顯示支持的設備：qemu-system-arm -machine help

　　

• 啓動設備：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel ./zImage -dtb ./vexpress-v2p-cap.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"
  • -M 指定開發板
  • -m 指定內存大小
  • -kernel 指定 kernel 鏡像
  • -dtb 指定設備樹
  • -nographic 不使用圖形界面，使用串口控制檯
  • -append 指定串口控制檯參數
• 實驗用得是 vexpress-a9 得四核處理器開發板，板上集成了 Flash、SD、IIC、LCD 等設備。
•  查看 QEMU 版本：qemu-system-arm --version

　　

 

1.2.5 開發板選擇

• 選用的是 vexpress-a9 開發板，這是ARM 公司推出的一款開發板，全稱爲 versatile express family
• 主要用於 SOC 廠商設計、驗證和測試本身的 SOC 芯片
• 採用主板 + 子板的設計，主板提供各類外圍接口，子板提供 CPU 運算
• Vexpress 系列支持的 CPU
  • cortex-a9：處理器子板 Express A9 x 4(v2p-ca9 x 4)
  • cortex-a5：處理器子板 Express A5 x 4(v2p-ca5 x 2s)
  • cortex-r5：
  • cortex-a15：處理器子板 Express A15 x 4(v2p-ca15 x 2)　　
• 開發板：

　　

 

 

•  系統框圖

　　

 

•  子板框圖

　　

 

 

 1.2.5 編譯內核和 dtb 文件

　　下載地址：https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/

　　也能夠下載其餘版本得內核，這裏選擇得是 Linux-4.20.0 版本，發佈日期是2018-12-24

　　下載下來後，解壓，修改主目錄下的 Makefile：

　　原始的：

 

 　　修改後：

　　

 

 　　配置開發板，主要是生成 .config 文件，能夠在 arch/arm/configs 中查看默認配置，執行 make vexpress_defconfig。

　　執行 make zImage -j8 進行編譯，-j8 是使用多線程編譯。

　　編譯內核模塊：make modules -j8

　　編譯 dts 文件：make dtbs

　　運行開發板：

　　qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel arch/arm/boot/zImage -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0」

　　

 

 　　能夠看到內核已經起來，可是無文件系統。

1.2.6 使用 busybox 製做根文件系統

• 文件系統
  • 對存儲設備上的數據進行組織的機制
• 爲何要使用文件系統
  • Linux的哲學：一切皆文件
  • 用戶與操做系統進行交互的主要工具：文件系統調用
  • 用戶和底層存儲的接口
• 根文件系統
  • Linux內核啓動後第一個掛載的文件系統
  • 主要由基本的shell命令、各類庫、字符設備、配置腳本組成
  • 提供了根目錄 /
  • RFS能夠放在： nor/nand flash、 SD卡、磁盤、網絡空間上
• 什麼是busybox?
  • 一個集成100多個Linux經常使用命令和工具的軟件
  • 一個適合製做嵌入式文件系統的軟件工具
• 編譯安裝
  • 下載源代碼： http://www.busybox.net/downloads/
  • 修改Makefile： ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
  • 配置： make defconfig ; make menuconfig
  • 注意要將跟文件系統做爲靜態庫生成：
  • 編譯： make
  • 安裝： make install
  • 全部生成的二進制文件都在 _install 目錄下
• 製做根文件系統
  • $ mkdir rootfs
  • $ mkdir rootfs/lib
  • $ cp –r _install/* rootfs
  • 跟文件系統的庫存放在編譯工具鏈中的：$ cp -p /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* rootfs/lib
  • 建立設備：$ mkdir -p rootfs/dev/
  • 建立串口節點，串口節點用的比較頻繁，因此建立的比較多
    • $ mknod –m 666 tty1 c 4 1
    • $ mknod –m 666 tty2 c 4 2
    • $ mknod –m 666 tty3 c 4 3
    • $ mknod –m 666 tty4 c 4 4
    • $ mknod –m 666 console c 5 1
    • $ mknod –m 666 null c 1 3
• 製做SD卡文件系統鏡像
  • 生成虛擬文件鏡像： dd if=/dev/zero of=rootfs.ext3 bs=1M count=32
    • if 輸入
    • of 輸出
    • bs 塊大小
    • count 多少個塊
  • 格式化爲exts文件系統： mkfs.ext3 rootfs.ext3
• 往SD卡拷貝東西，將各類文件拷貝到文件系統鏡像中：
  • 執行掛載：$ mount -t ext3 rootfs.ext3 /mnt/ -o loop
  • $ cp -r rootfs/* /mnt
  • 卸載：$ umount /mnt/
• 啓動內核，掛載rootfs
  • $ qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -dtb ./vexpressv2p-ca9.dtb -kernel ./zImage -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd rootfs.ext3
    • -append 參數作了修改，root是在 /dev/mmcblk0 上啓動的，可讀寫權限，mmcblk0  是 SD 卡的設備節點
    • -sd 掛載SD卡
• 完善文件系統：
  • rcS 文件完善
  • 修改完成後，再從新走《製做 SD 卡文件系統映像步驟》，mount 步驟，結果以下
• 圖形化啓動內核
  • $ qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -dtb ./vexpressv2p-ca9.dtb -kernel ./zImage -append "root=/dev/mmcblk0 rw
    console=tty0" -sd rootfs.ext3

　　啓動命令腳本（無LCD）

1 qemu-system-arm \
2   -M vexpress-a9 \
3   -m 512M \
4   -kernel /home/ubuntu/work/kernel/linux-4.20/arch/arm/boot/zImage \
5   -dtb /home/ubuntu/work/kernel/linux-4.20/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb \
6   -nographic \
7   -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" \
8   -sd /home/ubuntu/work/rootfs.ext3

　　啓動命令腳本（LCD）

1 qemu-system-arm \
2   -M vexpress-a9 \
3   -m 512M \
4   -kernel /home/ubuntu/work/kernel/linux-4.20/arch/arm/boot/zImage \
5   -dtb /home/ubuntu/work/kernel/linux-4.20/arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb \
6   -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=tty0" \
7   -sd /home/ubuntu/work/rootfs.ext3