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嵌入式Linux驱动开发

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时间：60天

开发板： 100ASK STM32MP157 Pro

  • 512MB DDR3L
  • 4GB eMMC FLASH

环境搭建 （03/28 1天）​

下载BSP，百问网通过 Repo 管理多个 git 仓库中的源码，以组合提供BSP。

  • Tfa 版本：V2.2
  • Bootloader 版本：uboot 2020.02
  • Linux 内核版本：LinuxKerenl 5.4 LTS
sudo ln -s /usr/bin/python3 /usr/bin/python
git clone https://gitee.com/oschina/repo.git
mkdir -p 100ask_stm32mp157_pro-sdk && cd 100ask_stm32mp157_pro-sdk

../repo/repo-py3 init -u https://gitee.com/weidongshan/manifests.git \
  -b linux-sdk -m stm32mp1/100ask_stm32mp157_pro_release-v2.0.xml --no-repo-verify
  
../repo/repo sync -j16

配置交叉编译工具链：

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
export PATH=/home/amass/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin:$PATH

搭建NFS服务，便于在开发板上直接访问运行编译好的可执行文件或驱动模块。

交叉编译一个 Hello World 程序，确保能够正常编译，在开发板上通过 NFS 挂载的目录下运行。

编译内核

为什么编译驱动程序之前要先编译内核？

  • 驱动程序要用到内核文件：比如驱动程序中这样包含头文件：#include <asm/io.h>，其中的 asm 是一个链接文件，指向 asm-arm 或 asm-mips，这需要先配置、编译内核才会生成 asm 这个链接文件。
  • 编译驱动时用的内核、开发板上运行到内核，要一致。
  • 更换板子上的内核后，板子上的其他驱动也要更换。板子使用新编译出来的内核时，板子上原来的其他驱动也要更换为新编译出来的。
cd 100ask_stm32mp157_pro-sdk/Linux-5.4

# 执行之前，确保 ARCH、CROSS_COMPILE 被正确导入环境变量
make 100ask_stm32mp157_pro_defconfig
make uImage LOADADDR=0xC2000040 -j28

# 构建设备树的二进制文件
make dtbs

# 拷贝内核文件和设备树二进制文件
cp arch/arm/boot/uImage ~/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk/binary
cp arch/arm/boot/dts/stm32mp157c-100ask-512d-v1.dtb ~/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk/binary

# 构建内核模块
make modules -j28

# 安装内核模块至 binary 目录下备用
make INSTALL_MOD_PATH=~/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk/binary INSTALL_MOD_STRIP=1 modules_install

将 binary 中的文件拷贝至开发板，并重启：

# 我们将 /home/amass/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk 挂载到了开发板的 /root/100ask_stm32mp157_pro-sdk 下
cp /root/100ask_stm32mp157_pro-sdk/binary/uImage /boot
cp /root/100ask_stm32mp157_pro-sdk/binary/stm32mp157c-100ask-512d-v1.dtb /boot
cp /root/100ask_stm32mp157_pro-sdk/binary/lib/modules /lib -rfd
sync
reboot

构建系统和烧录系统 （03/28-待定 2天）​

启动方式 ：STM32MP157支持分别从EMMC、SD、USB加载固件启动。

BOOTBOOT0BOOT1BOOT2
EMMCOFFONOFF
SDONOFFON
USBOFFOFFOFF
M4(debug)OFFOFFON

Yocto 和 Buildroot 都属于嵌入式Linux系统构建工具，用于为嵌入式设备定制和生成轻量化的Linux操作系统。它们帮助开发者自动化地编译内核、工具链、根文件系统及应用程序，适配特定硬件和需求。

Tfa编译

cd ~/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk/Tfa-v2.2
make -f $PWD/./Makefile.sdk all -j28

编译完成后得到文件 ../build/trusted/tf-a-stm32mp157c-100ask-512d-v1.stm32。

U-Boot编译

cd ~/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk/Uboot-2020.02
make stm32mp15_trusted_defconfig
make DEVICE_TREE=stm32mp157c-100ask-512d-v1 all -j28

编译会报错：

/usr/bin/ld: scripts/dtc/dtc-parser.tab.o:(.bss+0x10): multiple definition of `yylloc'; scripts/dtc/dtc-lexer.lex.o:(.bss+0x0): first defined here

修改 scripts/dtc/dtc-lexer.lex.c，在 YYLTYPE yylloc; 加上 extern。

编译完成之后最终得到 u-boot.stm32 文件。

编译内核，如之前所述。

使用 Buildroot 构建系统

# 在 Ubuntu 24.04 下编译不过，这里使用容器
docker run --rm -it \
  --user amass \
  -w /home/amass/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk \
  -v /home/amass/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk:/home/amass/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk \
  -e ARCH=arm \
  -e CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf- \
  -e PATH="/home/amass/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin:$PATH" \
  registry.cn-shenzhen.aliyuncs.com/amass_toolset/ubuntu_dev:18.04 \
  /bin/bash

cd ~/Projects/100ask_stm32mp157_pro-sdk/Buildroot_2020.02.x
make 100ask_stm32mp157_pro_ddr512m_systemD_qt5_defconfig

unset LD_LIBRARY_PATH

sudo apt install cpio unzip bzip2
make all -j28

驱动入门 （03/29-04/07 8天 ）​

编写Hello World 驱动（03/29 1天）​

在编写字符设备驱动时，要重点关注 struct file_operations 这个结构体：

include/linux/fs.h
struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
    // ......
} __randomize_layout;

对于简单的字符设备驱动来说，最重要的一步就是如何对 file_operations 结构体进行填充。

怎么编写驱动程序？

  1. 确定主设备号，也可以让内核分配。
  2. 定义自己的 file_operations 结构体。
  3. 实现对应的 open()、read()、write()、release() 等函数，填入 file_operations 结构体。
  4. 把 file_operations 结构体告诉内核： int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)。
  5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数。
  6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用 void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)。
  7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点： class_create(), device_create()（两个函数位于 include/linux/device.h）。
# 打开内核的打印信息
echo "7 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk 

# 安装驱动程序
insmod ./hello_driver.ko

# 确认驱动程序是否生成设备节点
ls /dev/hello -l

# 测试驱动程序
./hello_app -w iwantwork
./hello_app -r

# 卸载驱动
rmmod hello_driver

.ko 文件（Kernel Object）是Linux内核模块的二进制文件，其主要目的是动态扩展内核功能。虽然最常见的用途是加载设备驱动，但内核模块的用途远不止于此。以下是几种典型的非驱动用途：

  • 文件系统支持：例如ext4.ko、nfs.ko等，用于在内核中实现文件系统的逻辑。
  • 网络协议栈扩展：如ip_tables.ko（实现iptables防火墙）、tcp_bbr.ko（TCP拥塞控制算法）等。
  • 内核功能增强：如性能监控工具（perf相关模块）、调试工具（如kprobes.ko用于动态跟踪）等。
  • 安全模块：例如SELinux或AppArmor的扩展模块。
  • 虚拟化支持：如KVM或容器相关的内核模块。

它与应用开发的 .so 动态库有一定的相似性：

  • 例如.ko通过insmod/modprobe 动态加载到内核空间，而无需重新编译整个内核。
  • 通过 module_init 和 module_exit 定义了模块的入口函数和退出函数，分别对应于执行insmod、rmmod时需要执行的函数。
  • 可以通过 EXPORT_SYMBOL 导出函数符号。

总线设备驱动模型（03/29 1天）​

总线设备驱动模型的核心目的：为了将驱动代码中，不需要改变的代码和经常需要改变的代码进行隔离。

在 include/linux/device.h 主要定义 bus_type、device_driver、device 三个概念。

在 include/linux/platform_device.h 主要定义了 platform_device、platform_driver 的概念。

在 drivers/base/platform.c 定义了：

struct bus_type platform_bus_type = {
	.name		= "platform",
	.dev_groups	= platform_dev_groups,
	.match		= platform_match,
	.uevent		= platform_uevent,
	.dma_configure	= platform_dma_configure,
	.pm		= &platform_dev_pm_ops,
};

在 drivers/usb/core/driver.c 定义了：

struct bus_type usb_bus_type = {
	.name =		"usb",
	.match =	usb_device_match,
	.uevent =	usb_uevent,
	.need_parent_lock =	true,
};

所以 linux 的驱动总线并不只有一条。platform_device 是 Linux 内核中用于描述非标准总线设备的一种机制，其核心目的是：

  • 表示无总线（或虚拟总线）的设备：许多嵌入式设备（如 SoC 内部集成的 UART、GPIO、时钟控制器等）并不挂载在标准总线（如 PCI、USB、I2C）上，它们无法通过总线枚举机制自动发现。platform_device 为这类设备提供了统一的抽象，使其能够融入内核的设备驱动模型。
  • 解耦硬件描述与驱动逻辑：将设备资源（寄存器地址、中断号等）从驱动代码中剥离，通过 platform_device 静态定义或动态（如设备树）描述，实现驱动代码的复用。
  • 兼容旧版内核代码：在设备树（Device Tree）普及前，platform_device 是描述固定硬件的主要方式（通过硬编码或板级文件）。

在内核的设备模型中，所有设备均以 struct device 为基础，而 platform_device 是其扩展。platform_device 内嵌一个 struct device 体现了面向对象思想的继承，使其可以复用 struct device 的所有功能。同时其还扩展添加了一些其他属性，例如 id 和 resource。

在调用 platform_driver_register() 和 platform_device_register() 时，都会触发 platform_bus_type 的 platform_match() 函数。如果成功匹配，则会调用platform_driver 的 probe() 函数。

设备树（03/30-04/01 3天）​

  • GPIO和Pinctrl（04/02-04/04 3天）
  • 按键中断驱动（04/05-04/07 3天）

LCD显示子系统 （04/08-04/11 4天）

I2C子系统 （04/12-04/15 4天）

Input输入子系统 （04/16-04/19 4天）

Pinctrl子系统 （04/20-04/23 4天）

GPIO子系统 （04/24-04/27 4天）

Interrupt子系统 （04/28-05/01 4天）

UART子系统 （05/02-05/05 4天）

SPI子系统 （05/06- 05/09 4天）

V4L2子系统 （05/10-05/13 4天）

Uboot 移植 （05/14-05/26 13天）

使用 Buildroot 自定义构建系统

遗留问题​

  1. 在编译 Linux 内核时，一般所说的 zImage 和 uImage 到底是什么？

    • zImage 是 Linux 内核通过 gzip 算法压缩后的二进制镜像文件。其生成过程分为两步：

      1. 将未压缩的 vmlinux（ELF 格式）转换为纯二进制文件 Image（通过 objcopy 工具）；
      2. 对 Image 进行 gzip 压缩，并在压缩后的数据前添加解压缩代码，最终生成 zImage。压缩后的 zImage 体积较小（通常不足 2MB），适合存储空间受限的嵌入式设备。

    • uImage 是专为 U-Boot 引导程序设计的镜像格式，本质上是在 zImage 前添加 64 字节的头部信息。该头部包含内核版本、加载地址、入口地址、CRC 校验等元数据，由 mkimage 工具生成，生成命令示例：

      mkimage -A arm -O linux -T kernel -C none -a 0x20007fc0 -e 0x20008000 -n "Linux Kernel" -d zImage uImage

      由于头部信息的存在，U-Boot 可通过 bootm 命令直接识别 uImage，并根据头部中的地址信息加载内核到内存。这种设计简化了嵌入式系统的启动流程，尤其适用于需要自定义启动参数的场景

  2. 一般在使用 Buildroot 构建生成的最终可以烧录到 eMMC 的 image 文件是什么？它包含了哪些东西？为什么烧录之后，就可以启动单板了？

    在使用 Buildroot 构建嵌入式 Linux 系统时，最终生成的可以烧录到 eMMC 的镜像文件通常是 update.img 或 完整固件包（具体名称可能因 SDK 或厂商工具不同而略有差异）。该镜像文件是一个经过整合的完整系统镜像。

    镜像文件包含的内容

    • Bootloader（如 U-Boot）：负责硬件初始化、加载内核和传递启动参数。例如，在 RK 系列开发板中，uboot.img 和 trust.img（ARM TrustZone 相关）是 Bootloader 的核心部分。
    • Linux 内核（Kernel）与设备树（Device Tree）：内核镜像（如 zImage 或 Image）是操作系统的核心，负责管理硬件资源和进程调度。设备树文件（.dtb）描述硬件配置信息，确保内核能正确识别单板外设。
    • 根文件系统（Rootfs）：由 Buildroot 生成的根文件系统（如 rootfs.img），包含 Linux 运行所需的目录结构、库文件、配置文件及用户空间工具（如 BusyBox 命令）。根文件系统可能基于 Buildroot 或 Debian 等框架构建。
    • 分区表与固件元数据：例如 parameter.txt 文件定义 eMMC 的分区布局（如 boot、system、user 分区），确保镜像按正确地址烧录。

    镜像烧录后单板启动的原理

    烧录后的镜像能够启动单板，依赖于 eMMC 的分区结构 和 硬件启动流程 的协同工作：

    1. 硬件初始化与 Boot ROM：单板上电后，CPU 首先执行固化在芯片内部的 Boot ROM 代码，该代码会初始化 eMMC 接口并加载启动分区（Boot Partition）中的 Bootloader。
    2. Bootloader 加载内核与根文件系统：Bootloader（如 U-Boot）从 eMMC 的指定分区读取内核镜像和设备树，将其加载到内存中，并传递启动参数（如根文件系统路径）。例如，U-Boot 可能从 boot.img 中解压内核。
    3. 内核挂载根文件系统：内核启动后，根据 Bootloader 传递的参数挂载根文件系统（如从 rootfs.img 中解压），并执行初始化脚本（如 /etc/inittab），最终进入用户空间。
    4. 分区与镜像的完整性：烧录工具（如 RKDevTool 或 build.sh 脚本）会将镜像文件按分区表写入 eMMC 的对应区域，确保各组件在硬件预期的地址上。

    镜像生成与烧录的关键工具

    1. Buildroot 的编译流程：Buildroot 通过 make menuconfig 配置目标架构、内核版本、软件包等，最终在 output/images 目录生成根文件系统镜像。结合 SDK 的 build.sh 脚本可将内核、U-Boot 等打包为完整镜像。
    2. 厂商烧录工具：例如瑞芯微的 RKDevTool 或 Linux_Upgrade_Tool，通过 USB-OTG 接口将 update.img 写入 eMMC 的分区中。

  3. 一般说的 内核挂载根文件系统，到底是什么意思？

QEMU 模拟开发​

QEMU帮助文档，安装：

sudo apt-get install qemu-system

# 查看arm仿真支持的单板，比较合适的就是 vexpress-a9
qemu-system-arm -machine help

下载 U-Boot 源码。下载 ARM GCC 交叉编译工具链 arm-gnu-toolchain-14.2.rel1-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf.tar.xz。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- vexpress_ca9x4_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- -j4

使用 QEMU 运行编译好的U-Boot：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel ./u-boot -nographic

下载 Linux 内核源码。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- vexpress_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- zImage -j4
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- dtbs -j4

下载 BusyBox 进行编译：

make menuconfig               # 选择静态编译：Settings -> Build static binary
# Settings  ---> 
#  [*] Build static binary (no shared libs)    //静态编译
#  [*] Build with debug information       //可选，带调试信息，方便后续调试

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- install -j4

cd _install
mkdir -p bin dev etc/init.d home lib proc sys tmp usr var

# 在 rootfs/dev 下创建设备文件（需 root 权限）
sudo mknod dev/console c 5 1   # 控制台设备
sudo mknod dev/null c 1 3      # 空设备
sudo chmod 666 dev/null        # 设置权限
sudo mknod -m 666 dev/tty1 c 4 1
sudo mknod -m 666 dev/tty2 c 4 2
sudo mknod -m 666 dev/tty3 c 4 3
sudo mknod -m 666 dev/tty4 c 4 4

创建 /etc/inittab（定义系统初始化行为）：

::sysinit:/etc/init.d/rcS
::askfirst:-/bin/sh
::ctrlaltdel:/sbin/reboot

创建 /etc/init.d/rcS（启动脚本）：

#!/bin/sh
mount -t proc proc /proc
mount -t sysfs sysfs /sys
/bin/mount -a

设置权限：

chmod +x etc/init.d/rcS

创建 /etc/fstab（文件系统挂载表）：

proc /proc proc defaults 0 0
sysfs /sys sysfs defaults 0 0
tmpfs /tmp tmpfs defaults 0 0

生成 initramfs 镜像

sudo sh -c "find . | cpio -H newc -ov --owner root:root > ../initramfs.cpio"

使用 QEMU 运行编译好的 Linux 内核：

qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M \
  -kernel ./arch/arm/boot/zImage \
  -dtb ./arch/arm/boot/dts/arm/vexpress-v2p-ca9.dtb \
  -initrd ./initramfs.cpio \
  -nographic -append "console=ttyAMA0 rdinit=/sbin/init"
最后由 luocai 于 更新