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如何利用Linux驱动模型来完成一个LED灯设备驱动

2020-9-9 12:14:12 显示全部楼层
文章来源于嵌入式客栈,作者逸珺

本篇来介绍一下如何利用Linux驱动模型来完成一个LED灯设备驱动。点一个灯有什么好谈呢?况且Linux下有专门的leds驱动子系统。  点灯有啥好聊呢?
在很多嵌入式系统里,有可能需要实现数字开关量输出,比如:
  • LED状态显示
  • 阀门/继电器控制
  • 蜂鸣器
  • ......
嵌入式Linux一般需求千变万化,也不可能这些需求都有现成设备驱动代码可供使用,所以如何学会完成一个开关量输出设备的驱动,一方面点个灯可以比较快了解如何具体写一个字符类设备驱动,另一方面实际项目中对于开关量输出设备就可以这样干,所以是具有较强的实用价值的。
要完成这样一个开关量输出GPIO的驱动程序,需要梳理梳理下面这些概念:
  • 设备编号
  • 设备挂载
  • 关键数据结构
设备编号  
字符设备是通过文件系统内的设备名称进行访问的,其本质是设备文件系统树的节点。故Linux下设备也是一个文件,Linux下字符设备在/dev目录下。可以在开发板的控制台或者编译的主Linux系统中利用ls -l /dev查看,如下图:

对于ls -l列出的属性,做一个比较细的解析:

细心的朋友或许会发现设备号属性,在有的文件夹下列出来不是这样,这就对了!普通文件夹下是这样:

差别在于一个是文件大小,一个是设备号。
再细心一点的朋友或许还会问,这些/dev下的文件时间属性为神马都相差无几?这是因为/dev设备树节点是在内核启动挂载设备驱动动态生成的,所以时间就是系统开机后按次序生成的,你如不信,不妨重启一下系统在查看一下。

  常见文件类型:
  
  • d: directory 文件夹
  • l: link 符号链接
  • p: FIFO pipe 管道文件,可以用mkfifo命令生成创建
  • s: socket 套接字文件
  • c: char 字符型设备文件
  • b: block 块设备文件
  • -:常规文件
回到设备号,设备号是一个32位无符号整型数,其中:
  • 12位用来表示主设备号,用于标识设备对应的驱动程序。
  • 20位用来表示次设备号,用于正确确定设备文件所指的设备。
这怎么理解呢,看下串口类设备就比较清楚了:

主设备号一样证明这些设备共用了一个驱动程序,而次设备号不一样,则对应了不同的串口设备。那么怎么得到设备号呢?
/*下列定义位于./include/linux/types.h */
typedefu32 __kernel_dev_t;
typedef__kernel_dev_tdev_t;
/* 下面宏用于生成主设备号,次设备号 */
/* 下列定义位于./include/linux/Kdev_t.h */
# defineMINORBITS 20
# defineMINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
# defineMAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
# defineMINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
# defineMKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
使用举例:
/* 主设备号 */
MAJOR( dev_tdev);
/* 次设备号 */
MINOR( dev_tdev);
设备挂载
为简化问题,本文描述一下动态加载设备驱动模块,暂不考虑设备树。参考<<Linux设备驱动程序>>一书。可参照前文将驱动编译成模块,然后利用下面脚步动态加载模块。由前面描述,知道设备最终需要在/dev目录下生成一个设备文件,那么这个设备文件节点是怎么生成呢,看看下面的脚本:
#!/bin/sh
#-----------------------------------------------------------------------
module="led"
device="led"
mode="664"
group="staff"
# 利用insmod命令加载设备模块
insmod -f $module.ko $* || exit 1
#获取系统分配的主设备号
major=`cat /proc/devices | awk "$2=="$module" {print $1}"`
# 删除旧节点
rm -f /dev/${device}
# 创建设备文件节点
mknod /dev/${device} c $major 0
#设置设备文件节点属性
chgrp $group /dev/${device}
chmod $mode /dev/${device}
这里要提一下/proc/devices,这是一个文件记录了字符和块设备的主设备号,以及分配到这些设备号的设备名称。比如使用cat命令来列出这个文件内容:

关键数据结构
字符设备由什么关键数据结构进行抽象的呢,来看看:
  
  • file_operations定义在./include/linux/fs.h
  • cdev定义在./include/linux/cdev.h

cdev中与字符设备驱动编程相关两个数据域:
  
  • const struct file_operations *ops;
  • dev_t dev;设备编号
文件操作符是一个庞大的数据结构,常规字符设备驱动一般需要实现下面一些函数指针:
  
  • read:用来实现从设备中读取数据
  • write:用于实现写入数据到设备
  • ioctl:实现执行设备特定命令的方法
  • open:用实现打开一个设备文件
  • release:当file结构被释放时,将调用这个接口函数
点灯设备
先上代码(可左右滑动显示):
# include<linux/module.h>
# include<linux/init.h>
# include<linux/errno.h>
# include<linux/kernel.h> /* printk */
# include<linux/major.h>
# include<linux/cdev.h>
# include<linux/fs.h> /* everything... */
# include<linux/gpio.h>
# include<asm/uaccess.h> /* copy_*_user */
/*这里具体参考不同开发板的电路 GPIOC24 */
# defineLED_CTRL (2*32+24)
staticconstunsignedintled_pad_cfg = LED_CTRL;
structt_led_dev{
structcdevcdev;
unsignedcharvalue;
};
structt_led_devled_dev;
staticdev_tled_major;
staticdev_tled_minor= 0;
staticintled_open(struct inode * inode,struct file * filp)
{
filp->private_data = &led_dev;
printk ( "led is opened!n");
return0;
}
staticintled_release(struct inode * inode,
struct file * filp)
{
return0;
}
staticssize_t led_read(struct file * file,
char__user * buf,
size_tcount,
loff_t*ppos)
{
ssize_tret= 1;
if(copy_to_user(&(led_dev.value),buf, 1))
return-EFAULT;
printk ( "led is read!n");
returnret;
}
staticssize_t led_write(struct file * filp,
constchar__user *buf,
size_tcount, loff_t*ppos)
{
unsignedcharvalue;
ssize_tretval = 0;
if(copy_from_user(&value,buf, 1))
return-EFAULT;
if(value& 0x01)
gpio_set_value(led_pad_cfg, 1);
else
gpio_set_value(led_pad_cfg, 0);
printk ( "led is written!n");
returnretval;
}
staticconststructfile_operationsled_fops= {
.owner = THIS_MODULE,
.read = led_read,
.write = led_write,
.open = led_open,
.release = led_release,
};
staticvoidled_setup_cdev(struct t_led_dev * dev, intindex)
{
/* 初始化字符设备驱动数据域 */
interr,devno = MKDEV(led_major,led_minor+index);
cdev_init(&(dev->cdev),&led_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &led_fops;
/* 字符设备注册 */
err = cdev_add(&(dev->cdev),devno, 1);
if(err)
printk(KERN_NOTICE "Error %d adding led %d",err,index);
}
staticintled_gpio_init( void)
{
if(gpio_request(LED_CTRL, "led") < 0) {
printk( "Led request gpio failedn");
return-1;
}
printk( "Led gpio requested okn");
gpio_direction_output(LED_CTRL, 1);
gpio_set_value(LED_CTRL, 1);
return0;
}
/* 注销设备 */
voidled_cleanup( void)
{
dev_tdevno = MKDEV(led_major, led_minor);
gpio_set_value(LED_CTRL, 0);
gpio_free(LED_CTRL);
cdev_del(&led_dev.cdev);
unregister_chrdev_region(devno, 1); //注销设备号
}
/* 注册设备 */
staticintled_init( void)
{
intresult;
dev_tdev = MKDEV( led_major, 0);
/* 动态分配设备号 */
result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "led");
if(result< 0)
returnresult;
led_major = MAJOR(dev);
memset(&led_dev, 0, sizeof(struct t_led_dev));
led_setup_cdev(&led_dev, 0);
led_gpio_init;
printk ( "led device initialised!n");
returnresult;
}
module_init(led_init);
module_exit(led_cleanup);
MODULE_DEION( "Led device demo");
MODULE_AUTHOR( "embinn");
MODULE_LICENSE( "GPL");
来总结一下要点:
  
  • init函数,需要用module_init宏包起来,本例中即为led_init,module_init宏的作用就是选编译为模块或进内核的底层实现,建议刚开始不必深究。一般而言主要实现:
    • 申请分配主设备号alloc_chrdev_region
    • 为特定设备相关数据结构分配内存
    • 将入口函数(open read write等)与字符设备驱动的cdev抽象数据结构关联
    • 将主设备与驱动程序cdev相关联
    • 申请硬件资源,初始化硬件
    • 调用cdev_add注册设备
  • exit函数,一样需要用module_exit包起来,主要负责:
    • 释放硬件资源
    • 调用cdev_del删除设备
    • 调用unregister_chrdev_region注销设备号
  • 用户空间与驱动数据交换
    • copy_to_user,如其名一样,将内核空间数据信息传递到用户空间
    • copy_from_user,如其名一样,从用户空间拷贝数据进内核空间
  • 善用printk进行驱动调试,这是内核打印函数。
  • gpio相关操作函数,这里就不一一列举其作用了,比较容易理解。
测试驱动# include<fcntl.h># include<stdio.h>
# include<stdlib.h>
# include<string.h>
# defineREAD_SIZE 10
intmain( intargc, char**argv) {
intfd,count;
floatvalue;
unsignedcharbuf[READ_SIZE+ 1];
printf( "Cmd argv[0]:%s,argv[1]:%s,argv[2]:%sn",argv[ 0],argv[ 1],argv[ 2] );
if( argc< 2){
printf( "[Usage: test device_name ]n");
exit( 0);
}
if( strlen(argv[ 2]!= 1)
printf( "Invalid parametern");
if(( fd = open(argv[ 1],O_WRONLY ))< 0){
printf( "Error:can not open the device: %sn",argv[ 1] );
exit( 1);
}
if(argv[ 2][ 0] == '1')
buf[ 0] = 1;
elseif(argv[ 2][ 0] == '0')
buf[ 0] = 0;
else
printf( "Invalid parametern");
printf( "write: %dn",buf[ 0]);
if( (count = write( fd, buf , 1))< 0){
perror( "write error.n");
exit( 1);
}
close(fd);
printf( "close device %sn",argv[ 1] );
return0;
}
编译成可执行文件,调用前面的脚本加载设备后,在/dev下就可以看到led设备了。 比如测试代码编译成ledTest执行文件,则使用下面命令运行测试程序就可以看到led控制效果了:
/*打开led 具体取决电路是高有效还是低有效*/
./ledTest /dev/led 1
./ledTest /dev/led 0
这样就实现了用户空间驱动底层设备了,实际应用代码就可以这样去访问底层的字符型设备。
总结一下
本文总结了简单字符设备的驱动开发的一些要点,以及如何动态加载,在设备文件系统树上创建设备节点,并演示了驱动以及驱动使用的基本要点。

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