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如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

这期内容当中小编将会给大家带来有关如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动，文章内容丰富且以专业的角度为大家分析和叙述，阅读完这篇文章希望大家可以有所收获。

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这里介绍一下如何利用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：

如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

对于ls -l列出的属性，做一个比较细的解析：

如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

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：

如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

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。

如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

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：

如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

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 */typedef u32 __kernel_dev_t;typedef __kernel_dev_t dev_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 */#define MINORBITS 20#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

使用举例：

/* 主设备号 */MAJOR(dev_t dev); /* 次设备号 */MINOR(dev_t dev);

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<>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：

如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

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

如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

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 #include #include #include   /* printk() */#include #include #include       /* everything... */#include #include    /* copy_*_user *//*这里具体参考不同开发板的电路 GPIOC24 */#define LED_CTRL   (2*32+24)  static const unsigned int led_pad_cfg = LED_CTRL;struct t_led_dev{ struct cdev cdev; unsigned char value; 
};struct t_led_dev  led_dev;static dev_t led_major;static dev_t led_minor=0; static int led_open(struct inode * inode,struct file * filp){ 
 filp->private_data = &led_dev; 
 
 printk ("led is opened!\n");          
 return 0;
}static int led_release(struct inode * inode,
                       struct file * filp){
 return 0;
}static ssize_t led_read(struct file * file, 
                        char __user * buf,
                        size_t count, 
                        loff_t *ppos){
 ssize_t ret=1;   
 if(copy_to_user(&(led_dev.value),buf,1))
  return -EFAULT;
 printk ("led is read!\n");
 return ret;
}static ssize_t led_write(struct file * filp, 
                         const char __user *buf,
                         size_t count,loff_t *ppos){
 unsigned char value; 
    ssize_t retval = 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");
 return retval;
}static const struct file_operations led_fops = { .owner = THIS_MODULE,
 .read  = led_read,
 .write = led_write,
 .open  = led_open,
 .release = led_release,
};static void led_setup_cdev(struct t_led_dev * dev, int index){ 
    /* 初始化字符设备驱动数据域 */ int err,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); 
}static int led_gpio_init(void){
 if (gpio_request(LED_CTRL, "led") < 0) {
  printk("Led request gpio failed\n");
  return -1;
 }
 
 printk("Led gpio requested ok\n");
 
 gpio_direction_output(LED_CTRL, 1); 
 gpio_set_value(LED_CTRL, 1);
 
 return 0;
}/* 注销设备 */void led_cleanup(void){ 
 dev_t devno = 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 */static int led_init(void){ 
 int result;
 dev_t dev = MKDEV( led_major, 0 );
 /* 动态分配设备号 */ result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "led");      
 if(result<0)
  return result; 
 
 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"); 
 
 return result;
}

module_init(led_init);
module_exit(led_cleanup);

MODULE_DESCRIPTION("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 #include #include #include #define READ_SIZE 10int main(int argc, char **argv){
 int fd,count;
 float value;
 unsigned char buf[READ_SIZE+1];
 printf( "Cmd argv[0]:%s,argv[1]:%s,argv[2]:%s\n",argv[0],argv[1],argv[2] );
 
 if( argc<2 ){
  printf( "[Usage: test device_name ]\n" );
  exit(0);
 }
    if(strlen(argv[2]!=1)
        printf( "Invalid parameter\n" );
    
 if(( fd = open(argv[1],O_WRONLY  ))<0){
  printf( "Error:can not open the device: %s\n",argv[1] );
  exit(1);
 }
    
    if(argv[2][0] == '1')
        buf[0] = 1;
    else if(argv[2][0] == '0')
        buf[0] = 0;
    else        printf( "Invalid parameter\n" );

 printf("write: %d\n",buf[0]);
 if( (count = write( fd, buf ,1 ))<0 ){
  perror("write error.\n");
  exit(1);  
 }
 
 close(fd);
 printf("close device %s\n",argv[1] );
 return 0;
}

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。

最后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。

上述就是小编为大家分享的如何从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动了，如果刚好有类似的疑惑，不妨参照上述分析进行理解。如果想知道更多相关知识，欢迎关注创新互联行业资讯频道。


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