[Linux_IMX6ULL驱动开发]-基础驱动

news2024/9/29 17:36:23

 驱动的含义

如何理解嵌入式的驱动呢，我个人认为，驱动就是嵌入式上层应用操控底层硬件的桥梁。因为上层应用是在用户态，是无法直接操控底层的硬件的。我们需要利用系统调用（open、read、write等），进入内核态，通过打开对应的设备节点，通过read、write等通过编写的驱动函数来操控设备节点。

如何编写驱动

总的来说，驱动编写的大体步骤如下所示：

1、确定驱动的主设备号

2、定义自己的file_operation结构体，这个结构体的成员包含了很多的函数指针

3、我们需要在驱动文件中实现对应的函数，传入结构体中

4、编写一个驱动入口函数（对应的，也需要一个驱动卸载函数）

5、在驱动入口函数中，把file_operation结构体注册到内核当中、创建节点(class)、创建设备（相应的在驱动卸载函数中定义结构体从内核中卸载、节点、设备的卸载方法）

6、使用如下两个宏分别修饰入口函数和出口函数

7、使用 MODULE_LICENSE("GPL"); 遵守GPL协议，否则无法使用

基于如上步骤，我们进行以下操作

首先，我们需要三个文件，一个作为底层驱动文件，一个是上层APP文件，一个是Makefile

驱动文件hello_driver.c
上层应用文件hello_drv.c
Makefile

刚开始我们可能不知道到底要包含什么头文件，我们可以学习Linux内核中的文件来进行参考，我们可以打开 Linux-4.9.88\drivers\char\misc.c ，把里面的头文件拷贝过来使用。

首先我们需要定义一个全局变量作为驱动的设备号，然后定义一个file_operation结构体。需要注意，这两个变量都是全局变量，因为需要被多个函数使用。

file_operation结构体需要多个函数指针成员，在这里，我们定义四个函数，把函数指针赋值给结构体成员

其中需要注意的是，驱动和上层直接读写是需要通过两个函数来进行的，分别是 copy_to_user 和  copy_from_user，前者用于驱动中读的驱动函数，后者用于驱动中写的函数

同时，结构体成员函数的形参，返回值必须严格遵守一样的原则，否则会报错

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>

/* 确定主设备号 */
static int major = 0;
/* 缓存数组 */
static char kernal_buf[1024];


/* 数据超过1024，限制为1024 */
#define data_num(a,b) ( (a) < (b) ? (a) : (b) )



/* 定义函数入口地址 */
static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
	return 0;
}


static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int return_size;
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
	return_size = copy_to_user(buf, kernal_buf, data_num(1024,size));
	return return_size;
	
}
static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int return_size;
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
	return_size = copy_from_user(kernal_buf, buf, data_num(1024,size));
	return return_size;
	
}
static int hello_drv_rease (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
	return 0;
}


/* 
	定义文件结构体
	读,写,打开,卸载
*/
static struct file_operations hello_driver = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = hello_drv_open,
	.read = hello_drv_read,
	.write = hello_drv_write,
	.release = hello_drv_rease,
};

当我们为file_operation结构体的成员指定了对应的函数指针后，我们需要指定一个入口函数以及一个出口函数，并且在入口函数中，把file_operation注册到内核、节点的创建和设备的创建，在出口函数中完成上述三个的卸载（节点需要另外创建一个全局变量，struct class类型）

/* 节点的定义 全局变量 */
static struct class *hello_class;


/* 入口函数 */
static int __init hello_init(void)
{
	int err;
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);

	/* 注册结构体到内核后，返回主设备号 */
	major = register_chrdev(0, "hello", &hello_driver);
	//创建节点 /dev/hello
	hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
	err = PTR_ERR(hello_class);
	if (IS_ERR(hello_class))
	{
	
		printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
		/* 创建失败的话摧毁内核中的hello结构体 */
		unregister_chrdev( major, "hello");
		return -1;
	}
	/* 创建了节点后，需要创建设备 */	
    device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); 

	return 1;
}


/* 出口函数 */
static void __exit hello_exit(void)
{
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);

	/* 把device卸载 */
	device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
	/* 把class卸载 */
	class_destroy(hello_class);

	/* 把file_operation从内核中卸载 */
	unregister_chrdev( major, "hello");

}

当写好了入口函数和出口函数后，还需通过两个宏声明，否则系统不知道这两个函数分别是入口函数和出口函数

/* 需要用某些宏表示上述两个函数分别是入口函数和出口函数 */
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

这就是一个驱动的具体框架了，整体完整代码如下

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>



/*  
	流程
	1.file_operation结构体，实现内部对应函数
	2.注册结构体到内核，同时使用宏声明入口和出口函数，指引进入
	3.创建节点，让上层应用函数可以打开 /dev/...,节点class创建完毕后，创建device
		class提供了一种更高层次的设备抽象，而device则代表了具体的硬件设备

*/


/* 确定主设备号 */
static int major = 0;
/* 缓存数组 */
static char kernal_buf[1024];
/* 节点的定义 */
static struct class *hello_class;



/* 读多少的宏定义 */
#define data_num(a,b) ( (a) < (b) ? (a) : (b) )





/* 定义函数入口地址 */
static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
	return 0;
}


static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int return_size;
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
	return_size = copy_to_user(buf, kernal_buf, data_num(1024,size));
	return return_size;
	
}
static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int return_size;
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
	return_size = copy_from_user(kernal_buf, buf, data_num(1024,size));
	return return_size;
	
}
static int hello_drv_rease (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
	return 0;
}


/* 
	定义文件结构体
	读,写,打开,卸载
*/
static struct file_operations hello_driver = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = hello_drv_open,
	.read = hello_drv_read,
	.write = hello_drv_write,
	.release = hello_drv_rease,
};




/* 
	把结构体注册到内核
	为了能够把该结构体注册到内核
	需要init函数
*/
static int __init hello_init(void)
{
	int err;
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);

	/* 注册结构体到内核后，返回主设备号 */
	major = register_chrdev(0, "hello", &hello_driver);
	//创建节点 /dev/hello
	hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
	err = PTR_ERR(hello_class);
	if (IS_ERR(hello_class))
	{
	
		printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
		/* 创建失败的话摧毁内核中的hello结构体 */
		unregister_chrdev( major, "hello");
		return -1;
	}
	/* 创建了节点后，需要创建设备 */	
    device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); 

	return 1;
}


/* 有注册函数就有卸载函数 */
static void __exit hello_exit(void)
{
	printk("%s %s %d \n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);

	/* 把device卸载 */
	device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
	/* 把class卸载 */
	class_destroy(hello_class);

	/* 把file_operation从内核中卸载 */
	unregister_chrdev( major, "hello");

}

/* 需要用某些宏表示上述两个函数分别是入口函数和出口函数 */
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

/* 遵循GPL协议 */
MODULE_LICENSE("GPL");

如上，驱动程序hello_driver.c就完成了 ，在这里我们通过上层应用来打开驱动节点，然后往里面写入数据，然后在从里面读取数据。应用的代码如下


#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/*
 * ./hello_drv_test -w abc
 * ./hello_drv_test -r
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	char buf[1024];
	int len;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc < 2) 
	{
		printf("Usage: %s -w <string>\n", argv[0]);
		printf("       %s -r\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	/* 2. 打开文件 */
	fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file /dev/hello\n");
		return -1;
	}

	/* 3. 写文件或读文件 */
	if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
	{
		len = strlen(argv[2]) + 1;
		len = len < 1024 ? len : 1024;
		write(fd, argv[2], len);
	}
	else
	{
		len = read(fd, buf, 1024);		
		buf[1023] = '\0';
		printf("APP read : %s\n", buf);
	}
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

 同时，我们还需要编写Makefile，Makefile和具体的解析如下所示

1、KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88

        定义了KERN_DIR变量，指向了内核的目录

2、all:

        标记了Makefile的第一个目标，执行make的时候执行

3、make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 

        -C $(KERN_DIR)：这是make的一个选项，用于改变到另一个目录并读取那里的Makefile。这告诉make工具首先进入这个目录，并在那里查找Makefile。

        M=`pwd` modules：M的意思是指定模块源代码的的位置，当指定了module作为目标后，就是告诉系统想要构建内核模块。内核构建系统会查找当前目录（由M变量指定）中的模块源代码，并生成相应的模块文件（通常是.ko文件）。

4、$(CROSS_COMPILE)gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c 

        CROSS_COMPILE是环境变量，这列的意思是使用交叉编译器编译hello_drv_test.c 生成hello_drv_test.o。如果不存在交叉编译器会使用gcc

5、obj-m    += hello_driver.o

        这行告诉内核构建系统hello_driver.o是一个要构建的对象文件（即内核模块）


KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
	$(CROSS_COMPILE)gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c 

clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order
	rm -f hello_drv_test

obj-m	+= hello_driver.o

驱动的安装、卸载和现象

当我们在服务器上面编译完成后，会生成如下几个文件

我们通过挂载，把这两个文件挂载到开发板上

当前挂载的目录下存在 hello_driver.ko  hello_drv_test这两个文件。

首先，我们需要安装驱动，使用 insmod + 驱动名 ，来安装驱动

（lsmod也可以查看安装的驱动程序）

如上图，驱动程序成功的安装了

在这里我们使用应用文件写入驱动程序，再从中读出

当我们不使用驱动的时候，使用 rmmod+驱动名 卸载

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