一、Linux 设备驱动介绍及开发环境搭建

1.1 Linux 设备驱动介绍

1.1.1 分类及特点

• 计算机系统的硬件主要由 CPU、存储器和外设组成。
  • 当前 CPU 内部都集成有存储器和外设适配器。
  • 外设适配器有入 UART、IIC 控制器、SPI 控制器、USB 控制器、SDRAM 控制器等，有的 CPU 还集成有 GPU（图形处理器）、视频编辑器等。
• 驱动针对的对象是存储器和外设（包含 CPU 内部集成的存储器和外设），而不是针对 CPU 内核。Linux 将存储器和外设分为 3 个基础大类：
  • 字符设备：必须以串行顺序依次进行访问的设备，如触摸屏、磁带驱动器、鼠标等。
  • 块设备：可以按任意顺序进行访问，以块为单位进行操作，如硬盘、eMMC等
  • 网络设备：面向数据包的接收和发送而设计，并不倾向于对应于文件系统的节点。

1.1.2 设备驱动与整个软硬件的系统的关系

• 除网络设备外，字符设备与块设备都被映射到 Linux 文件系统的文件和目录，通过文件系统的系统调用接口 open()、write() 等即可访问字符设备和块设备。所有字符设备和块设备都统一呈现给用户。
• Linux 的块设备有两种访问方法：
  • 一种是类似于 dd 命令对应的原始块设备，如 ”/dev/sdb1“ 等
  • 另一种方式是在块设备上建立 FAT、EXT4、BTRFS 等文件系统，然后以文件路径如 "/home/barry/hello.txt" 的形式进行访问
  • 在 Linux 中，针对 NOR、NAND 等提供了独立的内存技术设备( Memory Technology Device，MTD) 子系统，其上裕兴 YAFFS2、JFFS2、UBIFS 等具备擦除和负载均衡能力的文件系统
  • 针对磁盘或者 Flash 设备的 FAT、EXT4、YAFFS2、JFFS2、UBIFS 等文件系统定义了文件和目录在存储介质上的组织。
  • Linux 的虚拟文件系统对上述进行了统一的抽象
• 应用程序可以使用 Linux 的系统调用接口编程，也可以使用 C 库函数。

1.2 QEMU 环境建立

1.2.1 虚拟机环境搭建

　　略过

1.2.2 安装 uboot-tools

• 用来生成 u-boot 引导的镜像文件
• sudo apt-get install u-boot-tools

1.2.3 安装交叉编译工具链

• 交叉编译是一种计算机环境中编译程序，在另一种环境下运行。或者说在一个平台上编译生成在另一个平台上运行的可执行代码
• ABI 和 EABI
  • ABI：二进制应用程序接口(Application Binary Interface(ABI) for the ARM Architecture)，在计算机中，应用二进制接口描述了应用程序（或者其他类型）和操作系统之间或其他应用程序的低级接口，涵盖了数据类型的大小，布局和对齐，调用约定
  • EABI：嵌入式 ABI，嵌入式应用二进制接口指定了文件格式，数据类型，寄存器使用，堆积组织优化和在一个嵌入式软件中的参数的标准约定
  • 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 编译可能使用的都不是一个 arm-linux-gcc 版本
• 安装
  • 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 安装

• QEMU 是一个模拟器，可以模拟CPU，ARM、X86、MIPS 等架构
• 可以仿真 ARM 处理器：ARM926E、ARM1136，cortex-A8/A9 等
• 模拟真实的开发板、外设：串口、LCD、网卡、USB、SD 卡...
• 使用 QEMU 可以做的事情：
  • 研究内核虚拟化
  • 模拟 CPU， 对于芯片公司，流片之前在 QEMU 上做验证、仿真、软硬件协同设计，开发 BSP 和驱动
  • 模拟开发板，在模拟平台上进行系统软件开发、驱动开发
  • 学生、工程师可以利用 qemu-system-arm 学习嵌入式开发、研究 bootloader、Linux 内核\驱动开发、应用开发等。
• 联网安装：sudo apt-get install qemu qemu-system-common qemu-system qemu-system-arm
• 输入命令显示支持的设备：qemu-system-arm -machine help

　　

• 启动设备：qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -kernel ./zImage -dtb ./vexpress-v2p-cap.dtb -nographic -append "console=ttyAMA0"
  • -M 指定开发板
  • -m 指定内存大小
  • -kernel 指定 kernel 镜像
  • -dtb 指定设备树
  • -nographic 不使用图形界面，使用串口控制台
  • -append 指定串口控制台参数
• 实验用得是 vexpress-a9 得四核处理器开发板，板上集成了 Flash、SD、IIC、LCD 等设备。
• 查看 QEMU 版本：qemu-system-arm --version

　　

1.2.5 开发板选择

• 选用的是 vexpress-a9 开发板，这是ARM 公司推出的一款开发板，全称为 versatile express family
• 主要用于 SOC 厂商设计、验证和测试自己的 SOC 芯片
• 采用主板 + 子板的设计，主板提供各种外围接口，子板提供 CPU 运算
• Vexpress 系列支持的 CPU
  • cortex-a9：处理器子板 Express A9 x 4(v2p-ca9 x 4)
  • cortex-a5：处理器子板 Express A5 x 4(v2p-ca5 x 2s)
  • cortex-r5：
  • cortex-a15：处理器子板 Express A15 x 4(v2p-ca15 x 2)　　
• 开发板：

　　

• 系统框图

　　

• 子板框图

　　

1.2.5 编译内核和 dtb 文件

　　下载地址：https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/

　　也可以下载其他版本得内核，这里选择得是 Linux-4.20.0 版本，发布日期是2018-12-24

　　下载下来后，解压，修改主目录下的 Makefile：

　　原始的：

　　修改后：

　　

　　配置开发板，主要是生成 .config 文件，可以在 arch/arm/configs 中查看默认配置，执行 make vexpress_defconfig。

　　执行 make zImage -j8 进行编译，-j8 是使用多线程编译。

　　编译内核模块：make modules -j8

　　编译 dts 文件：make dtbs

　　运行开发板：

　　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”

　　

　　可以看到内核已经起来，但是无文件系统。

1.2.6 使用 busybox 制作根文件系统

• 文件系统
  • 对存储设备上的数据进行组织的机制
• 为什么要使用文件系统
  • Linux的哲学：一切皆文件
  • 用户与操作系统进行交互的主要工具：文件系统调用
  • 用户和底层存储的接口
• 根文件系统
  • Linux内核启动后第一个挂载的文件系统
  • 主要由基本的shell命令、各种库、字符设备、配置脚本组成
  • 提供了根目录 /
  • RFS可以放在： nor/nand flash、 SD卡、磁盘、网络空间上
• 什么是busybox?
  • 一个集成100多个Linux常用命令和工具的软件
  • 一个适合制作嵌入式文件系统的软件工具
• 编译安装
  • 下载源代码： http://www.busybox.net/downloads/
  • 修改Makefile： ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi-
  • 配置： make defconfig ; make menuconfig
  • 注意要将跟文件系统作为静态库生成：
  • 
  • 编译： make
  • 安装： make install
  • 所有生成的二进制文件都在 _install 目录下
• 制作根文件系统
  • $ mkdir rootfs
  • $ mkdir rootfs/lib
  • $ cp –r _install/* rootfs
  • 跟文件系统的库存放在编译工具链中的：$ cp -p /usr/arm-linux-gnueabi/lib/* rootfs/lib
  • 创建设备：$ mkdir -p rootfs/dev/
  • 创建串口节点，串口节点用的比较频繁，所以创建的比较多
    • $ 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
• 制作SD卡文件系统镜像
  • 生成虚拟文件镜像： dd if=/dev/zero of=rootfs.ext3 bs=1M count=32
    • if 输入
    • of 输出
    • bs 块大小
    • count 多少个块
  • 格式化为exts文件系统： mkfs.ext3 rootfs.ext3
• 往SD卡拷贝东西，将各种文件拷贝到文件系统镜像中：
  • 执行挂载：$ mount -t ext3 rootfs.ext3 /mnt/ -o loop
  • 
  • $ cp -r rootfs/* /mnt
  • 
  • 卸载：$ umount /mnt/
  • 
• 启动内核，挂载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 参数做了修改，root是在 /dev/mmcblk0 上启动的，可读写权限，mmcblk0  是 SD 卡的设备节点
    • -sd 挂载SD卡
  • 
• 完善文件系统：
  • rcS 文件完善
  • 
  • 
  • 修改完成后，再重新走《制作 SD 卡文件系统映像步骤》，mount 步骤，结果如下
  • 
• 图形化启动内核
  • $ qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -dtb ./vexpressv2p-ca9.dtb -kernel ./zImage -append "root=/dev/mmcblk0 rw
    console=tty0" -sd rootfs.ext3

　　启动命令脚本（无LCD）

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

　　启动命令脚本（LCD）

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