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多进程访问驱动设备带来的问题

在驱动程序中，有些设备只允许打开一次。那么可以在驱动中定义一个全局变量，判断当前使用数目。比如在某驱动程序的open函数中这样定义。当count==0说明没有使用，可以打开。理想状态下是左边的情况，但是cpu对进程的调度是随机的，所以不可避免的发生右边的情况。就会打开多次。

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为什么没有count—的操作？因为这是驱动的open函数。—肯定是在close函数里边。

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1.32位系统内核空间和用户空间的默认大小

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内核空间运行在高地址空间，用户空间在低地址空间。之所以要做这样的划分。出于安全考量，内核需要更高的权限，已屏蔽用户区的不安全操作。从软件设计思想来开，内核代码偏重于系统管理；用户空间的代码偏重于业务逻辑代码的实现。 注意这只是逻辑地址，并不是物理地址。这中间有一个映射的过程。

陷入内核态一般有三种情况：

​ 系统调用，定时器中断，外设中断 处理完中断再返回用户空间的应用程序

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以字符设备驱动为例s

  1. 首先，把.c文件拷贝到/driver/char中要修改源码给目录下的/driver/char中的Kconfig文件，这样才能在编译内核时看到我们驱动的配置选单，参考其他的config 有样学样

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    tristate字段说明 该驱动有三个选项 y m n 。 y代表编译到内核里面，m是编程驱动.ko n是不编译。

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参考链接：linux驱动开发第1讲：带你编写一个最简单的字符设备驱动-今日头条 (toutiao.com)

驱动内容

  1. 首先，驱动文件与一般的c文件不同，他有着自己独有的入口函数与出口函数，通过一下方式定义：

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    module_init(hello_init); //入口函数 
    module_exit(hello_exit); //出口函数 
    MODULE_LICENSE("GPL");   //版权

    入口函数会在插入驱动insmod时执行，出口函数会在rmmod时执行。

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参考链接：https://blog.csdn.net/song_lee/article/details/105815237

参考连接：从源码编译linux-4.9内核并运行一个最小的busybox文件系统（最新整理版） - 哔哩哔哩 (bilibili.com)

1.前期准备

  • 实验环境

    • vmware 16 pro
    • ubuntu 22.04

  • 首先需要确认CPU是支持虚拟化的

    • ```shell
      dawnlake@dawnlake-virtual-machine:~$ lsmod | grep kvm
      kvm_intel 434176 0
      kvm 1130496 1 kvm_intel
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        - vmware可以通过编辑虚拟机设置来开启处理器的虚拟化功能![1677995747801](/images/14/1677995747801.png)
      <!--more-->
      - 下载配置内核所需要的依赖

        ```shell
        sudo apt-get install ncurses-dev libncurses-dev flex bison bc

  • 安装交叉编译工具

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    sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabi

  • 这里先使用Ubuntu自带的qemu

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    sudo apt-get install qemu
    sudo apt install qemu-system-x86

2.下载linux内核源码

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wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.9.229.tar.xz

太慢了，直接浏览器下完用vscode往上传的。

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dawnlake@dawnlake-virtual-machine:~/Downloads$ ls
linux-4.9.229  linux-4.9.229.tar.xz

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  • arch 目录， 和具体cpu有关的代码，例如arm/mach-omap1，即ti公司的soc，此soc的cpu核是ARM提供
  • init目录， 内核启动代码。对应到应用层就是main，内核里最早的目录是内核的解压程序，先执行汇编代码让cpu做一些初始化。 初始化完成之后会执行这个目录里的main。
  • drivers目录，驱动框架代码，例如i2c，dma， leds 鼠标 键盘 反正就是各种驱动。做驱动开发的可以关注一下。
  • fs目录，文件系统
  • kernel目录，进程调度进程管理等等 注意和arm/kernel目录的区别。 kernel目录会调用arm/kernel。
  • net目录， 网络协议
  • include目录
  • mm目录 内存相关

3.编译内核

下列命令要在管理员权限下执行，root用户可以不用加sudo

  1. 指定硬件体系架构 ， 因为开发环境是x86，要编译arm内核就需要指定ARCH=arm且需要安装交叉编译器。 前面已经装好。这只是个临时的环境变量

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    sudo export ARCH=x86

  2. 配置board config,此处配置为 x86_64_defconfig。

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    sudo make  x86_64_defconfig 

    root@dawnlake-virtual-machine:/home/dawnlake/Downloads/linux-4.9.229# make  x86_64_defconfig 
      HOSTCC  scripts/basic/fixdep
      HOSTCC  scripts/kconfig/conf.o
      SHIPPED scripts/kconfig/zconf.tab.c
      SHIPPED scripts/kconfig/zconf.lex.c
      SHIPPED scripts/kconfig/zconf.hash.c
      HOSTCC  scripts/kconfig/zconf.tab.o
      HOSTLD  scripts/kconfig/conf
    #
    # configuration written to .config
    #

  3. 配置内核，针对性配置，和实验不想关的就不做配置，避免内核臃肿。

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    make menuconfig

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    进来之后，（[*]代表要选中哈）

    • General setup —->
      • [*] Initial RAM filesystem and RAM disk (initramfs/initrd) support
    • Device Drivers —->
      • [*] Block devices —->
      • 1678000486617
        • 1678000467715

    操作时候一看就懂不解释了。

  4. 然后执行make编译

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    make

    执行完毕后结果显示（找得到的），

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    Kernel: arch/x86/boot/bzImage is ready  (#1)

    这就是编译好的内核。

4.编译文件系统 busybox

BusyBox: The Swiss Army Knife of Embedded Linux

  • BusyBox combines tiny versions of many common UNIX utilities into a single small executable. It provides replacements for most of the utilities you usually find in GNU fileutils, shellutils, etc. The utilities in BusyBox generally have fewer options than their full-featured GNU cousins; however, the options that are included provide the expected functionality and behave very much like their GNU counterparts. BusyBox provides a fairly complete environment for any small or embedded system.

  • BusyBox has been written with size-optimization and limited resources in mind. It is also extremely modular so you can easily include or exclude commands (or features) at compile time. This makes it easy to customize your embedded systems. To create a working system, just add some device nodes in /dev, a few configuration files in /etc, and a Linux kernel.

  1. 下载busybox 地址Index of /downloads (busybox.net) 版本： 1.30.0 并解压 报错 建议下载更新版本的>=1.36.0

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    tar xvf busybox-1.30.0.tar.bz2

    然后进入到目录下

  2. 配置buysbox源码

    在这里我们把busybox配置为静态编译，这样busybox在运行的时候就不需要额外的动态链接库了。 

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    make menuconfig 

    Settings  --->
          Build Options  --->
                [*] Build BusyBox as a static binary (no shared libs)

    操作时候就能看懂

  3. 然后编译安装

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    make && make install 
    =======================================================================
    /usr/bin/ld: libbb/lib.a(inet_common.o): in function `INET6_resolve':
    inet_common.c:(.text.INET6_resolve+0x4a): warning: Using 'getaddrinfo' in statically linked applications requires at runtime the shared libraries from the glibc version used for linking
    /usr/bin/ld: coreutils/lib.a(mktemp.o): in function `mktemp_main':
    mktemp.c:(.text.mktemp_main+0x98): warning: the use of `mktemp' is dangerous, better use `mkstemp' or `mkdtemp'
    /usr/bin/ld: networking/lib.a(ipcalc.o): in function `ipcalc_main':
    ipcalc.c:(.text.ipcalc_main+0x231): warning: Using 'gethostbyaddr' in statically linked applications requires at runtime the shared libraries from the glibc version used for linking
    /usr/bin/ld: libbb/lib.a(inet_common.o): in function `INET_resolve':
    inet_common.c:(.text.INET_resolve+0x4d): warning: Using 'gethostbyname' in statically linked applications requires at runtime the shared libraries from the glibc version used for linking
    /usr/bin/ld: networking/lib.a(inetd.o): in function `reread_config_file':
    inetd.c:(.text.reread_config_file+0x254): warning: Using 'getservbyname' in statically linked applications requires at runtime the shared libraries from the glibc version used for linking
    /usr/bin/ld: networking/lib.a(netstat.o): in function `ip_port_str':
    netstat.c:(.text.ip_port_str+0x50): warning: Using 'getservbyport' in statically linked applications requires at runtime the shared libraries from the glibc version used for linking
    /usr/bin/ld: util-linux/lib.a(rdate.o): in function `rdate_main':
    rdate.c:(.text.rdate_main+0xff): undefined reference to `stime'
    /usr/bin/ld: coreutils/lib.a(date.o): in function `date_main':
    date.c:(.text.date_main+0x25b): undefined reference to `stime'
    collect2: error: ld returned 1 exit status
    Note: if build needs additional libraries, put them in CONFIG_EXTRA_LDLIBS.
    Example: CONFIG_EXTRA_LDLIBS="pthread dl tirpc audit pam"
    make: *** [Makefile:718: busybox_unstripped] Error 1

    解决方案：换更高版本的busybox

    如果是老版本的ubuntu应该是不会报错，如果报错要么降低ubuntu版本，要么升级busybox版本。

    重新执行上述步骤，安装成功1678002515221

    目前还不是完整的文件系统，还待完善，无法直接使用。现在只是目录，内核识别的是文件系统。内核启动需要consle打印信息，但是这里面连dev都没有，所以也不存在什么设备文件。

  4. 进入_install目录，补充一些必要的文件或目录，相关的shell命令如下： 

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    #创建一下三个目录
    $ mkdir etc dev mnt 
    #虚拟文件系统  虚拟文件系统 临时文件系统
    $ mkdir -p proc sys tmp 
    #里面存放文件系统启动的脚本
    $ mkdir -p etc/init.d/ 
    #新建并且存放文件系统挂载信息 文件系统启动时会在这个文件中读取挂载信息 将这些文件系统挂载起来
    $ vim etc/fstab 
    #文件系统     挂载路径
    proc        /proc           proc         defaults        0        0
    tmpfs       /tmp            tmpfs    　　defaults        0        0
    sysfs       /sys            sysfs        defaults        0        0


    #busybox启动时执行的代码
    $ vim etc/init.d/rcS

    echo -e "Welcome to tinyLinux"
    # Linux mount命令是经常会使用到的命令，它用于挂载Linux系统外的文件。
    /bin/mount -a    #把上面的该挂载的挂载 
    echo -e "Remounting the root filesystem"
    mount  -o  remount,rw  /   #把根文件系统重新挂载以此设置成可读可写
    mkdir -p /dev/pts          
    mount -t devpts devpts /dev/pts  #用来挂载文件系统 -t：指定档案系统的型态，通常不必指定。mount 会自动选择正确的型态。
    echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug   #用来处理热插拔
    #mdev是busybox提供的一个工具，用在嵌入式系统中，相当于简化版的udev，作用是在系统启动和热插拔或动态加载驱动程序时，
    mdev -s


    $ chmod 755 etc/init.d/rcS

    #busybox执行的文件  一般的linux文件系统没有
    $ vim etc/inittab
    ::sysinit:/etc/init.d/rcS
    ::respawn:-/bin/sh
    ::askfirst:-/bin/sh
    ::ctrlaltdel:/bin/umount -a -r
    $ chmod 755 etc/inittab

    #创建设备节点
    $ cd dev
    # c表示字符型设备   5 主设备号 1 次设备号
    $ mknod console c 5 1
    $ mknod null c 1 3
    $ mknod tty1 c 4 1

    至此完整的文件系统制作完成

5.制作跟文件系统镜像

  1. 先制作一个空的镜像文件；

  2. 然后把此镜像文件格式化为ext3格式；

  3. 然后把此镜像文件挂载，并把根文件系统复制到挂载目录；

  4. 卸载该镜像文件。

  5. 打成gzip包。 

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    #!/bin/bash
    $ rm -rf rootfs.ext3
    $ rm -rf fs

    #dd命令 可以创建一个空的镜像文件
    $ dd if=/dev/zero of=./rootfs.ext3 bs=1M count=32

    #格式化为ext3的格式
    $ mkfs.ext3 rootfs.ext3

    #将该镜像文件挂载到fs这样一个临时的目录下
    $ mkdir fs
    $ mount -o loop rootfs.ext3 ./fs

    #然后把刚才./_install/* 也就是文件系统的东西 拷贝到 fs里 就相当于放到刚才的镜像里边了
    $ cp -rf ./_install/* ./fs
    #释放挂载点
    $ umount ./fs

    #打包成内核能识别的压缩模式
    $ gzip --best -c rootfs.ext3 > rootfs.img.gz

    下面是重要的步骤成功时的输出

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6.qemu启动内核与文件系统

​ 参数说明：

  • -kernel 编译好的内核镜像
  • -initrd 编译好的文件系统镜像
  • -append “init” 表示内核在启动之后转交给文件系统执行的第一个程序
  • -serial输出日志
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$qemu-system-x86_64 \
    -kernel ./linux-4.9.229/arch/x86_64/boot/bzImage  \  
    -initrd ./busybox-1.36.0/rootfs.img.gz   \
    -append "root=/dev/ram init=/linuxrc"  \
    -serial file:output.txt

注意：要在图形界面下执行！而且执行目录是linux-4.9.229所在的目录。

很快啊！！！！

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