目录

• 写在前面
• 整体环境
• 学习笔记
• • 操作系统和内核简介
  • `printf()`和`prinfk()`
  • 应用层对内核的调用
  • • 从例子看原理:应用层的`write()`如何调用内核中的`write()`
    • • 调用过程实践
      • 实现原理
      • 学习笔记

写在前面

之前做项目的时候，有前辈告诉自己，要去学一下Linux内核，对很多方面都有帮助，现在闲下来，来花时间学一下这一部分的知识点，也算是一个学习笔记
目前跟着B站UP主——简说linux 的教程《Linux内核开发100讲》学习，链接如下：
简说linux个人空间
本章学习参考链接：
printk和printf的区别
《Linux内核设计与实现》
在学习的过程中，我也会对遇到的各种问题进行深一步学习， 从而总结知识点到博客当中，这就会出现内容可能会四处跳跃，但是这种跳跃符合我的学习过程。

整体环境

为了学习代码，我们需要一个一套Linux环境，因为为了方便自己记笔记和学习，没有用双系统，直接在windows10下面用VMware建了一个虚拟机进行试验。
开发环境:VMWare虚拟机 Ubuntu 18.04
Linux源码版本:linux4.9.229

学习笔记

这一章是关于Linux内核的一个总体印象，以及应用层和驱动层之间相互调用的逻辑关系。

操作系统和内核简介

printf()和prinfk()

在Linux内核学习(二)里面，我们就在我们自己的设备驱动里面用了printk()函数来进行信息的输出从而进行调试，但为啥不用C语言里面的printf函数呢？
因为大部分的C语言库里面的函数在内核中都得到了实现，但是printf()函数是并没有被实现的，因此在我们前面的内核驱动设备的C语言代码中，我们是无法调用printf()函数的，但是没有了这个函数，内核中使用了另一个函数，printk()

• printk基本上在任何时候和任何地方都能够调用，它的使用弹性极佳
• printk可以指定一个日志警告级别，内核可以根据这个警告级别来判断是否需要在终端上打印信息。内核会把级别比某个特定值低的所有消息显示在终端上。记录等级如下：

如果没有特别指定一个记录等级，函数会选用默认的DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL，默认等级是KERN_WARNING，内核里面最重要的记录等级是KERN_EMEG，按照表格从上往下对应从重要到不重要的记录等级，最无关紧要的是KERN_DEBUG。当记录等级低于默认等级的时候，不会在终端里面显示，而显示在日志里面
sudo dmesg 查看日志信息
sudo dmesg -C 清除日志信息
我们可以查看当前的记录等级

cat /proc/sys/kernel/printk

我们试着输入一下：返回了 4 4 1 7

cat /proc/sys/kernel/printk
4	4	1	7

输出结果中的四个数字分别代表当前记录等级，默认等级，最小记录等级，和最大记录等级。
由前面得知，低于默认等级的时候，不会在终端显示，而在日志显示，因此等级0-3会输出到终端，4-7只会显示在日志当中.
我们可以使用sudo echo "6" > /proc/sys/kernel/printk 来改变系统的默认等级。注:此改变方法，可能需要使用sudo su切换到root用户才可以修改。

应用层对内核的调用

在我前面写的Linux内核学习(二)里面，我们已经实现了一个设备驱动的插入，并且其设备具有三个操作，open,write,read。那当我们有了一个设备之后，我们就可以在我们应用层通过系统调用的接口调用设备驱动，从而实现对硬件设备的调用。当然，由于我们是没有具体的硬件的，所以我们省略最后一步设备驱动对硬件设备的调用，只了解应用层如果实现对内核里面的设备驱动的调用

从例子看原理:应用层的write()如何调用内核中的write()

调用过程实践

要实现这个例子，我们当然首先要手写一个应用层的程序test.c，随便放到哪，我把学习过程中的笔记按照注释写在代码中，具体如下：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>

#define DATA_NUM (64)
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd,i;
    int r_len,w_len;
    fd_set fdset;
    char buf[DATA_NUM]="hello world"; //创建一个字符缓冲数组，以便后续使用
    memset(buf,0,DATA_NUM); //将DATA_NUM中剩余的值填充到buf中
    fd = open("/dev/hello", O_RDWR); //用可读写的权限打开设备驱动hello
    printf("%d\r\n", fd);			
    if(-1 == fd)				//判断文件是否打开
    {
        perror("open file error\r\n");
		return -1;	
    } 
    else
    {
		printf("open successe\r\n");
    }	
    w_len = write(fd, buf, DATA_NUM);	//打开成功 就调用write和read
    r_len = read(fd, buf, DATA_NUM);
    printf("%d%d\r\n", w_len, r_len);	//将返回值打印出来
    printf("%s\r\n",buf);

    return 0;
}

然后我们来运行这个运行这个程序
我们先按照最基本的C语言的流程，编译它。

gcc -o test test.c

然后我们运行它

./test

但我们发现它无法打开文件，返回以下错误

-1
open file error
: No such file or directory

其原因是，虽然我们在内核里面注册了我们的内核驱动，但是我们在应用层里面没有建立这样的一个文设备件。虽然在现在的Linux内核可以自动生成这样的设备文件，但UP主给我们演示了具体的实现过程：
首先，我们需要创建一个设备文件，需要使用mknod命令，其用法如下：
mknod [OPTION ]NAME TYPE [MAJOR MINOR]
TYPE是设备的类型，MAJOR和MINOR指的是主设备号和次设备号

mknod /dev/hello c 232 0
# 由于我们应用层中写的打开设备时hello，所以这里名字和代码中的文件名一样
# c 代表着这是一个字符设备
# 232 0 是我们上一节写的内核注册的驱动文件中的主次设备号
ls -l /dev/hello
# 此时再用ls命令就可以看到返回的设备文件啦

然后我们再清空一下我们的日志，并执行测试程序，

sudo dmesg -C
./test

发现返回了以下数据

这样，我们就运行完了了我们应用层的软件代码了，上述的过程中，我们是调用了我们前面写的驱动来进行的，而在我们前一节的笔记中，刚好在内核的驱动文件中，有三个对应应用层软件代码中open,write,read的函数,并对其进行了指向具体。代码如下:

int hello_open(struct inode *p, struct file *f)
{
    printk(KERN_EMERG"hello_open\r\n");
    return 0;
}

ssize_t hello_write(struct file *f, const char __user *u, size_t s, loff_t *l)
{
    printk(KERN_EMERG"hello_write\r\n");
    return 0;
}
ssize_t hello_read(struct file *f, char __user *u, size_t s, loff_t *l)
{
    printk(KERN_EMERG"hello_read\r\n");      
    return 0;
}
ps：函数里面的loff_t是一个类型的声明，其本质就是一个long long类型

这个时候，我们再使用dmesg查看日志的时候，发现这个应用层确实调用了驱动层中的驱动设备，并输出了对应的日志内容，那么具体是怎么实现的呢？

实现原理

具体的过程用图片表示如下：

以之前的应用层的write()为例，具体的过程如下：
首先应用层的代码执行之后，产生一个中断，然后被系统调用程序进行处理。具体的就是一个SYSCALL_DEFINE3(write, unsigned int, fd, const char __user *, buf,size_t, count)这样的一个函数
然后这个调用会将其调用到ssize_t __vfs_write(struct file *file, const char __user *p, size_t count, loff_t *pos)的函数，就是在这个函数中，将我们设备驱动中的read,open,write三个函数给调用了。
最终逐层传递回参数给用户空间，从而实现了整个过程

学习笔记

在上述的test.c文件中，有以下几个需要注意的点

• 我们在上面的test.c文件中调用的是printf()函数，而不是printk()，原因是这个c文件是一个应用层的软件，而不是内核中的驱动文件，所以他是可以直接调用C库中的函数，并打印到终端中。
• 我们打开设备的操作是open()，这是因为Linux系统中，把所有的东西都文件化了，因此，一个设备也是一个文件，而要使用一个文件，第一步当然是先打开这个文件啦