Linux驱动开发笔记

疑问
file_operation中每个操作函数的形参中inode的作用

设备树中compatible属性中厂商和型号如何填写

file_operation定义了Linux内核驱动的所有的操作函数，每个操作函数与一个系统调用对应，对于字符设备来说，常用的函数有：llseek、read、write、pool等等，这些操作函数都要需要完成实现。

为实现“高内聚，低耦合”的软件设计理念，Linux驱动采用了内核加载的方式，将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko)，在Linux 内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块，用“rmmod”命令卸载具体驱动模块，相应地需要注册模块加载函数和模块卸载函数。

module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数

对于字符设备驱动而言，当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备，同样，卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。输入命令“cat /proc/devices”可以查看当前已经被使用掉的设备号

wangchenxiao@sdc-uvdise057:~$ cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
 ····
Block devices:
  2 fd
 ····

Linux 中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成，主设备号表示某一个具体的驱动，次设备号表示使用这个驱动的各个设备，设备号由dev_t数据类型描述，是一个32位的数据类型，中高 12 位为主设备号，其范围为 0~4095，所低 20 位为次设备号
Linux中每个设备号是独一无二的，申请新的设备号不能与已有的设备号重复，为避免冲突，使用alloc_chrdev_region和d unregister_chrdev_region动态申请和注销设备号

1.使用insmod或modprobe加载驱动模块。可以通过lsmod查看当前系统中存在的模块，模块加载后会注册设备，然后可以通过cat /proc/devices查看当前系统中存在的设备。
2.使用mknod创建设备对应的设备节点文件。通过ls /dev查看当前系统中的设备节点文件。设备节点文件是设备在用户空间中的实现，在应用程序中可以通过设备节点文件操作该设备。
3.不再使用该设备后，通过rmmod卸载设备。

MMU（内存管理单元）完成虚拟内存到物理内存的映射和内存保护的功能。可以通过ioremap完成物理内存地址到虚拟内存地址的映射，相应在卸载内存时需要通过unremap释放虚拟内存的映射，在获得指向虚拟内存地址的指针后，可以通过readb、readw、readl和writeb、writew、writel对内存进行读写操作

pinctrl和gpio子系统

疑问：

用途：在裸机驱动开发中，设备的引脚和gpio通过设置相应的寄存器进行配置，在Linux驱动开发中引入了pinctrl和gpio子系统，通过在设备树中添加节点并完成引脚复用，电气等相应属性的配置，即可在驱动程序中通过提供的API函数完成引脚和gpio驱动的开发工作。

在设备树的外设节点下创建pinctrl节点，例如

pinctrl_led: ledgrp {
 fsl,pins = <
  MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0x10B0 /* LED0 */
 >;
};

fsl,pins属性通过宏定义MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 将GPIO1_IO03复用为GPIO1_IO03，并设置电气属性为0X10B0。

再设备树的根节点下创建gpio对应的外设节点

gpioled {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
compatible = "atkalpha-gpioled";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_led>;
led-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
status = "okay";
}

pinctrl-0属性设置了该节点对应的pintrcl节点，led-gpio属性设置了该设备对应的gpio节点信息，通过该属性可以获得GPIO编号

在驱动文件中
在设备结构体中定义GPIO编号
在初始化函数中根据of_find_node_by_path获得设备节点，通过of_get_named_gpio获得设备gpio编号，设置gpio输出输入属性
在写入函数中，通过gpio_set_value设置gpio的输出值。

Linux并发与竞争

原子变量：该变量的赋值和读取为原子操作
自旋锁：加锁后其他线程无法访问临界区，会处于忙等状态，因此适用于临界区耗时不长的场景。
信号量/互斥体：其他线程无法访问临界区时会进入休眠状态，进行上下文切换，适用于临界区较为耗时的场景。
同时只允许一个进程打开设备
通过在设备结构体中设置原子变量，初始化时设置该设备的原子变量为1，打开设备时原子变量减一，并判断是否小于零，若小于零则打开失败，关闭设备时原子变量加一。
在设备结构体中定义整形变量表示该设备是否使用，并定义自旋锁保护该变量，在初始化函数中初始化自旋锁，在打开设备时变量加一，如果变量大于零打开失败，关闭设备时变量减一，注意在对变量进行读写时需要通过自旋锁进行保护。
在设备结构体中定义信号量，在初始化函数中初始化信号量为1，在打开函数中获取信号量，若此时信号量为0则打开失败，在关闭函数中释放信号量。
在设备结构体中定义互斥体，在设备初始化函数中初始化互斥体，在打开设备函数中获取互斥体，如果获取互斥体失败则打开文件失败，在关闭函数中释放互斥体。

Linux内核定时器

Linux通过硬件定时器湖区时钟源，该时钟源的频率被称为系统频率或节拍率，该频率可以在编译LInux内核的时候设置。Linux 内核使用全局变量 jiffies 来记录系统从启动以来的系统节拍数，系统启动的时候会将 jiffies 初始化为 0
在设备结构体中定义timer_list定时器结构体，在初始化函数中初始化定时器，添加超时时间和处理函数，并注册定时器，开始定时功能，在关闭函数中删除定时器。

Linux中断

裸机中断系统？
设备树中通过interrupt-parent指定相应的gpio中断控制器，通过interrupts设置引脚号和中断出发标志。gpio中断控制器节点中，通过interrupts设置该gpio中断源信息
在驱动文件的设备结构体中定义中断IO描述结构体，其中包含gpio、终端号、中断服务函数，名字等信息。通过of_get_named_gpio提取gpio号，然后根据irq_of_parse_and_map从设备树中获取中断号，完成中断处理函数后，通过request_irq完成中断的申请。在关闭函数中，释放中断号

阻塞和非阻塞IO

当应用程序对设备驱动进行操作的时候，如果不能获取到设备资源，那么阻塞式 IO 就会将应用程序对应的线程挂起，直到设备资源可以获取为止。对于非阻塞 IO，应用程序对应的线程不会挂起，它要么一直轮询等待，直到设备资源可以使用，要么就直接放弃，设备驱动文件的默认读取方式就是阻塞式的，若要通过非阻塞方式打开，则需要再open函数中传入O_NONBLOCK

通过等待队列实现阻塞IO
在设备结构体中添加等待队列头结构体

平台设备驱动

在Linux内核中包含了大量驱动代码，因此必须提高驱动的可重用性。
驱动的分离：采用驱动、总线、设备信息模型，将设备信息从设备驱动中剥离开来，驱动使用标准方法去获取到设备信息，后根据获取到的设备信息来初始化设备，即于驱动只负责驱动，设备只负责设备，想办法将两者进行匹配即可。
在这里插入图片描述
驱动的分层:分层的目的也是为了在不同的层处理不同的内容。
定义platform_driver结构体，在其中设置驱动名称name，表示/sys/bus/platform/drivers/目录下的驱动名称，设备树匹配表of_match_table，用于和设备树中的compatible属性匹配，probe函数用于设备和驱动完成匹配时的执行，remove函数。
在初始化函数中通过platform_driver_register注册platform_driver结构体，在卸载函数中通过platform_driver_unregister卸载platform_driver结构体，
在probe函数中完成初始化，在remove函数中完成卸载。

misc驱动

misc为杂项驱动，主设备号为10。misc_register会完成申请设备号、初始化cdev、添加cdev、创建类、创建设备等操作，misc_registe会完成删除cdev、注销设备号、删除设备、删除类等操作

input子系统

Linux为输入设备创建的框架，统分为 input 驱动层、input 核心层、input 事件处理层。
在这里插入图片描述
首先在设备结构体定义一个input_dev指针，然后通过 input_allocate_device函数申请一个input_dev结构体，然后设置该结构体的名称，事件类型和事件值，然后通过input_register_device向Linux内核注册结构体，卸载驱动模块时需要通过input_unregister_device和input_free_device注销和删除设备。然后向input_eventLinux上报事件