linux驱动开发1

linux驱动开发1
2011年06月12日
　　有些文章需要多看几遍的………………
　　一、 练好基本功
　　嵌入式系统专业是综合了计算机硬件技术，计算机软件技术以及电子电路技术的一门综合学科，所涉及的内涵和知识非常广泛，包括：数字电路，模拟电路，计算机组成原理，单片机基础，C语言基础，操作系统，数据结构，编译原理，计算机控制，计算机网络等知识。
　　在真正学习嵌入式开发之前，首先要打好基础。其中最重要的是C语言基础、数字电路、计算机组成原理三门课程。对于C语言，至少能单独编写调试一个3 ~ 500行的程序，能够了解C语言的基本语法规则，基本语句的使用，理解指针概念并能灵活使用各种指针。
　　计算机组成原理要能理解组成一个计算机系统的几大部件，计算机系统的结构，理解系统总线，理解处理器和计算机外部设备的关系，处理器和计算机外设是如何协调工作完成某一项功能的，计算机软件和硬件是如何分工协作完成某一项任务的，理解软件是通过寄存器来控制硬件的。
　　数字电路，模拟电路要了解其基本原理个概念，能看懂简单模拟、数字电路原理图。理解数字电路中的寄存器，时序的概念，能看懂芯片手册和时序图。对于其他基础课程，重点要理解其中的一些基本概念，如何使用等等。
　　对于电子，自动化，通信，计算机类专业的学生，在大二、大三开设的专业基础或专业课程中基本包含了以上的大部分课程。因为缺乏实践，可能学得不是很深入，但是一些基本的概念和基本知识应该还是有所了解，针对一些薄弱环节，自己稍微加强学习一下，基本上已经具备了学习嵌入式开发的基础。在嵌入式基本功学习阶段，最重要的是C语言和单片机基础，最好是能用C语言开发一个小的单片机程序，例如用C语言实现单片机和PC的串口通信，用C语言控制LED等显示，用C语言控制数码管显示等小程序。在这个期间需要的学习工具就是单片机51学习开发板。推荐飞凌的OK-51学习开发板。详情参考：
　　二、嵌入式Linux应用开发
　　嵌入式开发基础知识学习完后，这时候你已经有了一定的嵌入式开发基础了，可以进行基于单片机的嵌入式系统设计了。单片机编程本身也是属于嵌入式编程，但是在这里我们只是把单片机开发当作嵌入式系统开发的基础，不把单片机开发作为真正的嵌入式系统开发，在这里我们的嵌入式系统开发是指在带有操作系统的嵌入式平台上的应用和驱动开发，特别指在嵌入式linux平台上的开发。
　　单片机开发在很早以前是非常热门的，现在在一些比较简单的系统上单片机也用的非常广泛，随着硬件的成本不断降低，在一些比较复杂的嵌入式设备一般都采用嵌入式linux操作系统，在嵌入式linux平台上进行开发，这样可以极大的提高嵌入式开发效率，提高系统的稳定性和可靠性，降低开发成本。由于linux是一个开源的操作系统，你可以通过阅读linux内核来理解内核的实现机制，如果有需要，你甚至可以通过修改内核源码来提高系统的性能；同时，全球参与linux开发的队伍非常庞大，网上有大量的嵌入式linux开发资料和源代码，很多你需要实现的功能在网上基本都能找到相关源码，参考一下别人写的源码，这样可以极大的提高自己的工作效率和技术能力，近几年，随着参与linux开发的人越来越多，linux系统的稳定性、实时性有了很大的提高，linux系统无论在服务器上还是嵌入式设备平台上都应用越来越广泛，现在包括华为、中兴、朗讯的各大通信巨头都开始把自己设备的底层平台从vxworks操作系统迁移到linux系统，可以说嵌入式linux是嵌入式技术发展一个方向，是嵌入式技术的一面旗帜。基于以上原因，我的建议是学嵌入式开发，就学嵌入式linux开发，相对于wince等其他的嵌入式平台，你可以真正学到更多的东西，学到嵌入式技术的精髓，同时他又符合嵌入式产业发展的方向，不容易被日新月异的技术发展所淘汰。
　　有了嵌入式开发的基础，又知道了我们为什么要学习嵌入式linux开发，那我们就要开始动手开始学习了，那如何开始学习嵌入式linux开发，从哪里开始着手呢？
　　很多同学这时候就开始买linux书籍，从图书馆借了一大堆关于linux的书：什么《linux使用基础教程》、《linux源码深度分析》、《linux情景分析等》、 《linux高级使用指南》等等。结果抱着这些图书看了10天半个月还是不知所云，当初学习的激情慢慢就消退了，最后不了了之，终究没有进入嵌入式开发大门。究其原因，是因为没有找到合适学习嵌入式开发的方法，做任何事情都有方法可循，找对了学习方法往往就能事半功倍；否则就可能是事倍功半，甚至劳而无功。接下来我先分析一下同学们的几种常见的嵌入式linux学习误区，然后提出一种比较合适的嵌入式linux学习方法。
　　误区一、全身投入学习桌面或服务器版本linux系统
　　很多想学嵌入式linux 的同学经常问我，我不会linux系统，怎么学习嵌入式linux开发，于是他们就花费了大量的精力和时间去研究学习桌面版本linux系统的使用，什么redhat 、federo,、ubuntu等等都用过，如何配置linux，linux的各种使用命令都背的滚瓜烂熟，linux各种服务器的配置，还原备份各种操作非常熟悉，以为这样就学会了嵌入式linux开发。其实这是一个学习嵌入式Linux开发的误区。
　　Linux桌面环境只是嵌入式linux的一个开发工具，开发环境而已。我们的目标不是学习linux服务器的配置和使用，linux服务器的高级配置和使用那是另外一个领域，不属于嵌入式linux讨论的范畴。我们进行嵌入式linux开发，只是把linux桌面环境当作一个工具，在linux桌面环境下运行嵌入式linux开发工具，例如gcc 编译器，make工具来开发我们的嵌入式linux应用程序而已，对于嵌入式开发工程师来说，没有必要花费那么多的精力和时间去研究linux桌面版和服务器的应用，只要能了解最基本的操作即可。现在的桌面linux系统的图形化界面做的也相当好，跟window具有相同的易用性能，例如ubuntu很多操作都可以在图形界面下完成，就没有必要去记每个linux命令了。熟悉linux桌面系统的使用和基本操作命令，安排1~2天时间学习基本就可以掌握了。
　　误区二、直接阅读linux内核源代码
　　很多想学linux，在连linux是什么东西，一点都还不会使用的情况下去就阅读linux内核源代码，花了大量时间去阅读《linux源码深度分析》、《linux情景分析等》等书。这样的结果很可能就是看的头昏眼花，不知所云，最后只能放弃了。这也是同学们学习嵌入式linux的一个误区，在有一定嵌入式linux开发基础后，带着一定的目的去阅读linux源代码，这样可以极大的提高你的技术能力，但是你在没有任何基础，对linux一点都不了解的情况下就去阅读linux内核源代码，无异于以卵击石，最后只能是撞个头破血流。
　　以上分析了同学们学习嵌入式linux 开发的2个误区，那么如何正确的嵌入式linux开发呢？
　　做任何事情都有一个循序渐进的过程，学习嵌入式linux也一样。在有了一定的嵌入式开发基础后，学习嵌入式linux开发比较适合的切入点是从嵌入式linux应用程序开发开始，即暂时先不去关心嵌入式硬件平台，不去关心linux的底层驱动，先把精力集中在现有的嵌入式linux平台上进行嵌入式linux应用程序设计开发。学习嵌入式linux开发绝不是看看书就可以学好的，需要多实践，编程调试；因为嵌入式开发不同于普通的基于PC机或服务器的应用程序开发，嵌入式开发的应用程序是要烧写到嵌入式板卡或开发板上运行的，所以首先你要给自己购买一块开发板，现在普遍流行的嵌入式开发板都是基于三星的ARM9 CPU S3C2440,性价比极高，在这里我推荐使用飞凌公司FL-2440 高性价比ARM9学习开发板，开发板资源丰富，稳定，同时配有大量的实验源码，视频教程和实验指导书。
　　有了开发板后，先后开始学习嵌入式linux开发环境搭建、嵌入式linux开发模型、linux内核移植和文件系统、嵌入式linux应用程序移植、嵌入式linux多进程，多线程应用程序设计、嵌入式linux网络编程，如果对嵌入式数据库或图形软件开发有兴趣的，可以进一步学习嵌入式linux数据库开发或基于QT的嵌入式linux图形应用软件设计。每学一章节都要通过相关实验来来验证你从书上学到的东西，同时提高自己编写代码，调试程序的能力。这个过程根据不同学员的基础不同，大概要花上1 ~ 2个月时间。学完这些课程后，你就有了再现有的嵌入式linux平台上进行应用程式设计开发的能力，到一些嵌入式软件公司去，能够胜任在现有的嵌入式linux平台上进行上层的应用程序开发工作。但是目前你还不能进行嵌入式linux系统和驱动的开发，也就是说，你现在只能在一个已经构建好的嵌入式linux平台上进行应用程序开发，而自己还没有能力根据实际需要去重新构建一个嵌入式linux平台。要让自己有能力根据实际需要重新构建一个嵌入式linux软硬件平台，这时候就需要进行下一阶段的学习了，即嵌入式linux系统和驱动开发。
　　三、嵌入式Linux系统和驱动开发
　　有了嵌入式linux平台上开发应用程序的基础，你已经对linux的功能、linux对应用程序提供的接口和系统调用有了一定的了解，知道如何利用linux提供的功能来进行应用程序开发，知道如何来使用设备驱动来进行应用程序设计，有了这些知识后，你就可以更深入的去学习Linux系统原理和基于Linux驱动的开发，Linux内核的裁剪，文件系统构，bootloader等等底层的知识了。
　　想要更深入学习嵌入式Linux系统和驱动开发，要学的内容非常多包括计算机软件、硬件、操作系统知识。这时候你可以参照以下的学习思路，因为嵌入式Linux系统和驱动的开发，和底层硬件联系非常紧密，所以首先我们从学习了解嵌入式硬件开始，包括：ARM体系架构、S3C2440微处理器接口设计、时钟系统、LCD屏接口、存储控制器及系统的存储空间分配、NAND FLASH接口和NOR FLASH接口等。对嵌入式系统硬件有了一定的了解后，接下来就可以开始学习bootloader了，理解bootloader的概念，功能，和原理，重点掌握U-BOOT的使用和移植。接下来就开始学习嵌入式linux内核机制，分析嵌入式Linux源码组成、内核的模块机制、内核进程管理、内存管理机制、linux的中断系统、Linux内核的移植等。有了内核的基础，就可以学习嵌入式Linux设备驱动开发了，重点掌握字符设备驱动开发，LCD屏设备驱动开发、触摸屏设备驱动开发、USB设备驱动开发，网卡设备驱动开发。学完这些知识点并通过相关实验验证后，嵌入式Linux系统和驱动的开发就算掌握了差不多了，能够胜任绝大部分基于linux平台的驱动开发工作了。学完这些知识点，根据学员的不同情况，一般需要花三个月到半年时间。通过这一阶段的学习，你在嵌入式Linux开发领域已经算是有了一定的功底，已经不再被人称为菜鸟了，已经进入嵌入式linux开发高手行列了。
　　四、更上一层楼
　　深入理解了嵌入式内核和驱动开发，这时候写个什么驱动对你已经没有什么问题了，开发过程中一些基本问题都难不倒你了。这是你可能想优化一下系统的性能，比如实时性，提高系统的启动速度，或者优化系统的内存管理机制，要达到修改内核核心机制的境界，你就需要去深入去研读linux内核源码了，参考《linux源码深度分析》、《linux情景分析等》等linux源码分析的书籍，深入理解linux各部分的实现机制和原理，以及可能存在的问题。你只有在深入理解现有代码和实现机制的基础上，才能提出更好的改进方案。如果你能达到这个境界，那你已经是高手中的高手，可以笑傲群雄了。
　　以上是笔者结合自己的嵌入式学习经历和嵌入式培训经验总结的一些嵌入式学习方法和步骤，这只是笔者对嵌入式学习的一些看法，希望对那些有兴趣学习嵌入式linux又不知道从哪开始学的同学们有所帮助。当然，每个人，每个同学的基础，各方面的情况都不一样，每个人都有自己适合的学习方式，本文章总结的一些学习方法和思路仅供参考，希望大家能找到适合自己的学习嵌入式开发的方式，早日进入嵌入式开发大门。
　　万丈高楼平地起，心动不如行动，有志从事嵌入式开发的同学不要再犹豫了，赶紧拿出实际行动，好好学习，为实现自己的伟大梦想而努力奋斗吧。
　　1.首先需要对C语言编程非常熟悉，这是在Linux下编程的基本条件。
　　2.会写简单的Makefile，编写一个简单的应用程序，再写一个Makefile，让它能正常编译。Makefile主要目的就是用来管理编译庞大的代码文件。
　　3.了解Linux内核的目录结构，尤其要熟悉kernel目录下的driver目录组织结构，这里一般存放内核中的驱动程序。
　　4.学会配置、编译Linux内核。
　　5.写一简单char驱动，Makefile编译通过，可以insmod， lsmod， rmmod。在驱动程序的init函数里加打印字符串， insmod后应该能够通过dmesg看到输出。
　　6.写一完整char驱动， 加上read， write， ioctl等各种操作函数的驱动实现。 在ioctl里完成从用户空间向内核空间传递结构体的实现。
　　7.写一block驱动，如磁盘驱动。加上read，write，ioctl，poll等各种函数实现。
　　8.学习Linux系统中interrupt机制的实现，这是编写驱动中常用到的技术。
　　9.学习内存管理，明白各种memory alloc的函数实现细节，这是Linux开发的基本功之一。
　　10.学习锁机制的应用,如信号量、自旋锁等。锁主要用来解决很多同步和并发的问题。
　　11.以上知识你都认为掌握了，接下来就看内核中实际应用的驱动代码。你会发现最基本的你已经知道了，大的框架都是一样的，无非是read，write，ioctl等函数的实现，但里面包含了很多很多细小的实现细节是之前不知道的，比如程序的设计逻辑，算法等。这时候就要考虑到很多实际的问题而不仅仅是基本功能的实现。
　　12.最后就是坚持不断地学习与总结。
　　由于很多人总问这个问题，所以这里做一个总结文档供大家参考。
　　这里必须先说明，以下的步骤都是针对Linux系统的，并不面向WinCE。也许你会注意到，现在做嵌入式的人中，做linux研究的人远比做WinCE的人多，很多产家提供的资料也是以linux为主。我一直很难理解，其实WinCE的界面比linux的界面好看多了，使用起来也很方便，更为重要的是，WinCE的开发和Windows下的开发基本一样，学起来简单得多，但是学linux或者使用linux做嵌入式的人就是远比WinCE多。在和很多工作的人交流时我了解到，他们公司从没考虑使用WinCE，因为成本高，都是使用linux进行开发。我读研究生的的实验室中也没有使用WinCE的，大都研究linux，也有少部分项目使用vxwork，但是就没有听说过使用WinCE的，原因就是开源！当然现在WinCE6.0听说也开源，不过在成本和资源上linux已经有了无人能挡的优势。与此相对应的是，越来越多的电子厂商已经开始使用linux开发产品。举个例子，Google近期开发的智能手机操作系统Android其实就是使用linux-2.6.23内核进行改进得到的。
　　第一，学习基本的裸机编程。
　　对于学硬件的人而言，必须先对硬件的基本使用方法有感性的认识，更必须深刻认识该硬件的控制方式，如果一开始就学linux系统、学移植那么只会马上就陷入一个很深的漩涡。我在刚刚开始学ARM的时候是选择ARM7（主意是当时ARM9还很贵），学ARM7的时候还是保持着学51单片机的思维，使用ADS去编程，第一个实验就是控制LED。学过一段时间ARM的人都会笑这样很笨，实际上也不是，我倒是觉得有这个过程会好很多，因为无论做多复杂的系统最终都会落实到这些最底层的硬件控制，因此对这些硬件的控制有了感性的认识就好很多了
　　学习裸机的编程的同时要好好理解这个硬件的构架、控制原理，这些我称他为理解硬件。所谓的理解硬件就是说，理解这个硬件是怎么组织这么多资源的，这些资源又是怎么由cpu、由编程进行控制的。比如说，s3c2410中有AD转换器，有GPIO（通用IO口），还有nandflash控制器，这些东西都有一些寄存器来控制，这些寄存器都有一个地址，那么这些地址是什么意思？又怎么通过寄存器来控制这些外围设备的运转？还有，noRFlash内部的每一个单元在这个芯片的内存中都有一个相应的地址单元，那么这些地址与刚刚说的寄存器地址又有什么关系？他们是一样的吗？而与norflash相对应的nandflash内部的储存单元并不是线性排放的，那么s3c2410怎么将nandflash的地址映射在内存空间上进行使用？或者简单地说应该怎么用nandflash？再有，使用ADS进对ARM9行编程时都需要使用到一个初始化的汇编文件，这个文件究竟有什么用？他里面的代码是什么意思？不要这个可以吗？
　　诸如此类都是对硬件的理解，理解了这些东西就对硬件有很深的理解了，这对以后更深一步的学习将有很大的帮助，如果跳过这一步，我相信越往后学越会觉得迷茫，越觉得这写东西深不可测。因为，你的根基没打好。
　　不过先声明一下，本人并没有使用ADS对ARM9进行编程，我是学完ARM7后直接就使用ARM9学linux系统的，因此涉及使用ADS对ARM9进行编程的问题我很难回答^_^，自己去研究研究吧。
　　对于这部分不久将提供一份教程，这个教程中的例程并不是我为我们所代理的板子写的，是我在我们学院实验室拿的，英培特为他们自己的实验箱写的，不过很有借鉴意义，可以作为一份有价值的参考。
　　第二，使用linux系统进行一些基本的实验。
　　在买一套板子的时候一般会提供一些linux的试验例程，好好做一段时间这个吧，这个过程也是很有意义的，也是为进一步的学习积累感性认识，你能想象一个从没有使用过linux系统的人能学好linux的编程吗？好好按照手册上的例程做一做里面的实验，虽然有点娃娃学走路，有点弱智，但是我想很多高手都会经历这个过程。
　　在这方面我们深蓝科技目前没有计划提供相应的例程，主要是开发板的提供商会提供很丰富的例程，我们不做重复工作，只提供他们没有的、最有价值的东西给大家。
　　第三，研究完整的linux系统的的运行过程。
　　所谓完整的linux系统包括哪些部分呢？
　　三部分：bootloader、linux kernel（linux内核）、rootfile（根文件系统）。
　　那么这3部分是怎么相互协作来构成这个系统的呢？各自有什么用呢？三者有什么联系？怎么联系？系统的执行流程又是怎么样的呢？搞清楚这个问题你对整个系统的运行就很清楚了，对于下一步制作这个linux系统就打下了另一个重要的根基。介绍这方面的资料网上可以挖掘到几吨，自己好好研究吧。
　　第四，开始做系统移植。
　　上面说到完整的linux有3部分，而且你也知道了他们之间的关系和作用，那么现在你要做的便是自己动手学会制作这些东西。
　　当然我不可能叫你编写这些代码，这不实现。事实上这个3者都能在网下载到相应的源代码，但是这个源代码不可能下载编译后就能在你的系统上运行，需要很多的修改，直到他能运行在你的板子上，这个修改的过程就叫移植。在进行移植的过程中你要学的东西很多，要懂的相关知识也很多，等你完成了这个过程你会发现你已经算是一个初出茅庐的高手了。
　　在这个过程中如果你很有研究精神的话你必然会想到看源代码。很多书介绍你怎么阅读linux源代码，我不提倡无目的地去看linux源代码，用许三多的话说，这没有意义。等你在做移植的时候你觉得你必须去看源代码时再去找基本好书看看，这里我推荐一本好书倪继利的《linux内核的分析与编程》，这是一本针对linux-2.6.11内核的书，说得很深，建议先提高自己的C语言编程水平再去看。
　　至于每个部分的移植网上也可以找到好多吨的资料，自己研究研究吧，不过要提醒的是，很多介绍自己经验的东西都或多或少有所保留，你按照他说的去做总有一些问题，但是他不会告诉你怎么解决，这时就要靠自己，如果自己都靠不住就找我一起研究研究吧，我也不能保证能解决你的问题，因为我未必遇到过你的问题，不过我相信能给你一点建议，也许有助你解决问题。
　　这一步的最终目的是，从源代码的官方主页上（都是外国的，悲哀）下载标准的源代码包，然后进行修改，最终运行在板子上。
　　盗用阿基米德的一句话：“给我一根网线，我能将linux搞定”。
　　第五，研究linux驱动程序的编写。
　　移植系统并不是最终的目的，最终的目的是开发产品，做项目，这些都要进行驱动程序的开发。
　　Linux的驱动程序可以说是五花八门，linux2.4和linux2.6的编写有相当大的区别，就是同为linux2.6但是不同版本间的驱动程序也有区别，因此编写linux的驱动程序变都不是那么容易的事情，对于最新版本的驱动程序的编写甚至还没有足够的参考资料。那么我的建议就是使用、移植一个不算很新的版本内核，这样到时学驱动的编程就有足够的资料了。
　　这部分的推荐书籍可以参考另一篇文章《推荐几本学习嵌入式linux的书籍》。
　　第六，研究应用程序的编写。
　　做作品做项目除了编写驱动程序，最后还要编写应用程序。现在的趋势是图形应用程序的开发，而图形应用程序中用得最多的还是qt/e函数库。我一直就使用这个函数库来开发自己的应用程序，不过我希望你能使用国产的MiniGUI函数库。盗用周杰伦的广告词就是“支持国产，支持MiniGUI”。MiniGUI的编程比较相似Windows下的VC编程，比较容易上手，效果应该说是相当不错的，我曾使用过来开发ARM7的程序。不过MiniGUI最大的不好就是没有像qtopia这样的图形操作平台，这大大限制了他的推广，我曾经幻想过与北京飞漫公司（就是MiniGUI的版权拥有者）合作使用MiniGUI函数库开发像qtopia这样的图形操作平台，不过由于水平有限这只能是幻想了，呵呵。
　　完成这一步你基本就学完了嵌入式linux的全部内容了。
　　还有一个小小的经验想和大家分享。我在学习嵌入式linux的过程中很少问人，客观原因是身边的老师、同学师兄都没有这方面的高手，主观原因是我不喜欢问人，喜欢自己研究解决问题。这样做有个好处，就是可以提高自己解决问题的能力，因为做这些东西总有很多问题你难以理解，别人也没有这方面的经验，也不是所有问题都有人给你答案，这时必须要自己解决问题，这样，个人的解决问题能力就显得非常关键了。因此我的建议就是一般的问题到网上搜索一下，确实找不到答案了就问问高手，还是不行了就自己去研究，不要一味去等别人帮你解决问题。
　　记住，问题是学习的最好机会。