Linux字符设备驱动设计

概述

驱动的定义与功能

计算机系统中存在着大量的设备， 操作系统要求能够控制和管理这些硬件， 而驱动就是帮助操作系统完成这个任务。

驱动相当于硬件的接口， 它直接操作、 控制着我们的硬件， 操作系统通过驱动这个接口才能管理硬件。

驱动程序与应用程序

驱动程序本身也是代码， 但与应用程序不同， 它不会主动去运行， 而是被调用。 这调用者就是应用程序。

驱动与应用是服务与被服务的关系。 驱动是为应用服务的。因为应用程序很多时候需要用到硬件设备， 但不能直接操作硬件设备， 所以通过系统调用陷入内核调用驱动， 从而操作硬件。

应用与驱动程序在系统中所处位置不同,决定了它们代码运行模式也不一样。

应用程序运行在用户空间(用户态)

驱动代码运行于内核空间(内核态)。

应用要"过五关斩六将" 才能使用硬件设备。

系统调用： 内核提供给用户程序的一组“ 特殊” 函数接口，用户程序可以通过这组接口获得内核提供的服务

驱动/库/内核/应用

应用程序调用函数库完成一系列功能， 一部分库函数通过系统调用由内核完成相应功能， 例如： printf、 fread函数等等。

内核处理系统调用， 内核在实现系统调用时会根据需要调用设备驱动程序操作硬件。

设备驱动是硬件设备的直接控制者， 它完成了内核和硬件的通信任务

库属于用户态， 驱动属于内核态， 所以驱动无法使用标准C库里面的函数。

printf();
sprintf();
strlen();

内核实现了大部分常用的函数， 供驱动使用。 有些函数名尽管相同， 实现方式是不一样的。

printk();
sprintf();
strlen();

linux驱动相关概念

在linux世界里面， 驱动可分为三大类：

• 字符设备
• 块设备
• 网络设备

字符设备

• I/O传输过程中以字符为单位进行传输。
• 用户对字符设备发出读/写请求时， 实际的硬件读/写操作一般紧接着发生。

块设备

• 块设备与字符相反， 它的数据传输以块（ 内存缓冲） 为单位传输。
• 用户对块设备读/写时， 硬件上的读/写操作不会紧接着发生,即用户请求和硬件操作是异步的
• 磁盘类、 闪存类等设备都封装成块设备。

网络设备

网络设备是一类特殊的设备， 它不像字符设备或块设备那样通过对应的设备文件访问， 也不能直接通过read或write
进行数据请求， 而是通过socket接口函数进行访问。

设备文件和主/从设备号

linux把设备抽象成文件,“一切设备皆文件” 。 所以对硬件的操作全部抽象成对文件的操作。

驱动是硬件的最直接操作者， 设备文件是用户程序与设备驱动的一个接口,应用程序通过操作设备文件来调用设备驱动程序。

设备文件存放于/dev目录下， 可以用ls -l或ll查看

每个设备文件都有其文件属性， 属性包括：

• 设备类型（首字母 c=字符设备 b=块设备)
• 主/从设备号

应用程序通过设备文件找到设备驱动

主设备号： 用于标识驱动程序,主设备号一样的设备文件将使用同一类驱动程序。 (1-254)

从设备号： 用于标识使用同一驱动程序的不同具体硬件。(0-255)

例如： 210开发板中的串口设备， 主设备号标识串口这类设备， 从设备号标识具体的某个串口。

# 查看当前系统中主设备号的使用情况和其对应的硬件设备
cat /proc/devices

linux模块编程

Linux内核抛弃把所有功能模块都编译到内核的做法， 采用了模块化的方法将各组件灵活添加和删减， 并且驱动模块还可以动态加载、 删除。

使用模块的好处：

• 内核体积小： 不需要的组件可以不编入内核
• 开发灵活： 模块可以同普通软件一样， 从内核中添加或删除
• 平台无关、 节省内存

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

/*模块加载函数*/
int __init xxx_module_init (void) 
{ 
    //... 
}

/*模块卸载函数*/
void __exit xxx_module_exit (void) 
{ 
    //... 
}
/*声明模块加载函数宏*/
module_init(xxx_module_init);

/*声明模块卸载函数宏*/
module_exit(xxx_module_exit);

/*声明模块作者*/
MODULE_AUTHOR(“sunplusedu” );

/*模块许可证明， 描述内核模块的许可权限*/
MODULE_LICENSE("GPL");

模块加载函数

• 完成相关资源申请、 硬件初始化以及驱动的注册
• 若初始化成功返回0, 失败返回错误值
• 模块加载函数必须以" module_init(函数名) "形式进行声明

模块卸载函数：

• 释放已申请资源、 注销驱动
• 在模块卸载时被执行， 不返回任何值
• 函数需要以" module_exit(函数名) "的形式进行声明

Linux内核模块的编译方法有两种：

• 放入Linux内核源码中编译
• 采用独立的方法编译模块

放入Linux内核源码中编译

• 将写好的模块放入Linux内核任一目录下
• 修改相应目录下的Kconfig和Makefile文件
• 执行make modules
• 会在相同目录下生成与源文件同名的.ko文件

采用独立的方法编译模块

linux内核还提供了一种方法可以独立编译模块， 我们可以在自定义的目录下编译驱动程序， 其makefile内容如下：

#this is a makefile
ifeq ($(KERNELRELEASE),3.4.39)
obj-m := module_test.o #模块名字，与C文件同名
else
KERNELDIR = /…/kernel-3.4.39 #内核路径
PWD = $(shell pwd) #当前路径
default: #编译过程
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
	rm -rf *.ko
endif

Linux内核模块的使用：

lsmod 			# 列举当前系统中的所有模块
insmod xxx.ko 	# 加载指定模块到内核
rmmod xxx 		# 卸载指定模块(不需要.ko后缀)

注意事项：

若卸载时出现以下提示：

rmmod:chdir(3.4.39-sunplusedu): No such file or directory

在开发板根文件系统下建立以下目录：

/lib/modules/3.4.39-sunplusedu（跟当前内核版本同名)

字符驱动程序框架

模块是linux内核进行组件管理的一种方式， 驱动是基于模块进行注册和注销的。

不单单是字符设备， 块设备驱动和网络设备驱动都是基于模块进行加载和删除的。

字符设备是最基本、 最常用的设备。 它将千差万别的各种硬件设备采用一个统一的接口封装起来， 屏蔽硬件差异， 简化了应用层的操作。

如： 按键 , LED灯 , 触摸屏 , 温湿度传感器

应用程序的open、 read、 write函数最终会调到驱动里面的open、 read、 write函数

与系统调用函数类似， 驱动的这几个函数参数都是固定不变的， 但函数名可以自己编写

这几个函数是由我们在驱动代码上去实现的， 也就是说， read/write函数要对硬件进行怎样的操作是驱动决定的

file_operations结构体

• 驱动的open/read/write函数实际上是由一个叫 file_operations的结构体统一管理的。
• 这是字符驱动最重要的一个结构体(之一)， 里面包含了一组函数指针。 这组函数指针指向驱动open/read/write等几个函数。
• 一个打开的设备文件就和该结构体关联起来， 结构体中的函数实现了对文件的系统调用， 这样file_operations中的函数就 和open/read/write等系统调用函数一一对应

//  include/linux/fs.h
struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, bool spin);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
	__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	unsigned long mmap_supported_flags;
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	int (*check_flags)(int);
	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
			  loff_t len);
	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
	ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
			loff_t, size_t, unsigned int);
	loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,
				   struct file *file_out, loff_t pos_out,
				   loff_t len, unsigned int remap_flags);
	int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;

file_operations 常用函数

struct file_operations {
	struct module *owner;
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
}

当执行insmod命令插入一个设备驱动时， 相应的模块初始化函数被执行：

在初始化函数中根据需要申请资源和初始化。

• 中断、 内存等资源申请
• IO口等硬件初始化

利用register_chrdev()把驱动注册进内核

条件：

• 主设备号
• 设备名字
• 填充好的file_operations结构体

字符设备注册函数

/**
 * @function: 字符设备注册
 * @parameter: 
 *		major: 主设备号， 一般填0， 由内核自动分配
 *		name: 设备驱动名， 注册成功可以使用 , cat /proc/device 查看
 *		fops: 填充好的file_operations 结构体变量地址
 * @return: 
 *     success: 分配好的主设备号
 *     error: 
 * @note: 
 */
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops);

字符设备注销函数

/**
 * @function: 字符设备注销
 * @parameter: 
 *		major: 主设备号
 *		name: 设备驱动名
 * @return: 
 *     success: 
 *     error: 
 * @note: 
 */
void unregister_chrdev(unsigned int major, const char name)

字符设备驱动编译成功生成.ko文件后， 使用字符驱动

加载驱动程序

• insmod 内核模块文件名.ko
• cat /proc/devices 查看当前系统中所有设备驱动程序及其主设备号

手动建立设备文件

• 设备文件一般建立/dev目录下， 可通过命令创建
• mknod /dev/文件名 c 主设备号 从设备号

采用mknod命令的方式创建设备文件有些繁琐， 就此linux为我们提供了一种udev机制实现设备文件的自动创建（只需在模块初始化函数中添加几行代码） 。

该方式的思想是使用insmod 插入模块时自动创建设备节点， 使用rmmod 卸载模块时删除设备节点

udev是linux2.6内核引入的设备管理器， 主要负责管理 /dev下设备节点

自动创建功能的实现分两步完成

首先定义和创建设备类：

struct class *my_class;
//name: 设备类名
my_class = class_create(THIS_MODULE, name);

根据类创建设备节点：

struct device *my_device;
//MKDEV : 主/次设备号组成一个设备号
//name: 设备节点名
my_device = device_create(my_class, NULL, MKDEV(major_nr, minor_nr), NULL, name);

卸载过程也分为两步完成

首先删除设备节点：

device_destroy(my_class, MKDEV(major_nr, minor_nr));

销毁创建好的设备类：

class_destroy(my_class);

inode结构体

inode结构体记录了文件系统中文件的相关信息， 比如 文件大小、 创建者、 创建日期等等， 我们也称之为“索引节点” ， 每个文件都有与之对应的inode， 也就是说 inode表示具体的文件。

file结构体

file结构体是一个内核结构， 它不会出现在用户程序中， 它跟用户空间FILE不是一回事

file结构体代表一个打开的文件（文件描述符） ，在open时它由内核自动创建， 并传递给file_operations所指向的各个函数， 当文件关闭后该结构体被释放。

该结构体记录了文件的读写模式、 文件当前读写位置、 还有file_operations结构体的指针等

inode结构体中包含了设备文件的主从设备号，用户可通过以下宏获取：

unsigned int iminor(struct inode *inode);
unsigned int imajor(struct inode *inode);

用户态与内核态数据的传输

应用程序与驱动程序分属于不同的地址空间， 二者之间的数据应当采用以下函数进行交换

//从内核空间拷贝n字节数据到用户空间
//user_buffer: 标首地址
//kernel_buffer: 源数据首地址
copy_to_user(user_buffer, kernel_buffer, n)

//从用户空间拷贝n字节数据到内核空间
copy_from_user(kernel_buffer, user_buffer, n)

//从内核空间拷贝一数据（ 任意类型） 变量到用户空间
put_user(kernel_value, user_buffer)

//从用户空间拷贝一数据（ 任意类型） 变量到内核空间
get_user(kernel_value, user_buffer)

//buf :用户传过来的数据
//count: 数据的大小
ssize_t demo_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    unsigned char aver[100] = {0};
    
    if(copy_to/from_user(aver, buf, count) != 0)
    {
        return -EFAULT;
    }
    
    return count;
}

GPIO程序设计

S5P6818 GPIO寄存器

GPIOxOUT	GPIOxOUTENB	GPIOxPAD	GPIOxALTFNn
输出高/低	引脚输入/输出	读输入高/低电平	引脚功能(gpio或其 他固定功能)
每1位配置1个 gpio引脚	每1位配置1个 gpio引脚	每1位读取1个 gpio引脚	每2位配置1个 gpio引脚

键盘工作原理

3*3键盘可采用轮训方式检测， 配置GPIOA_28、GPIOC_11和GPIOC_12为输入且上拉使能， 然后就是while循环读取输入引脚

配置IO口相关寄存器的两种实现方法：

直接操作gpio相关寄存器

• 和裸机程序gpio配置方式类似， 通过移位操作读写寄存器的值

使用内核的io操作接口函数

• linux内核为方便用户对io口的配置提供了一系列的接口函数，而且我们建议使用该方式， 可以提高代码可移植性

//操作gpio相关寄存器（地址映射）
//头文件
#include <asm/io.h>
#include <linux/ioport.h>

unsigned int reg;

//寄存器虚拟首地址（地址映射）
//映射后的寄存器地址排列顺序和间隔同映射前一致， 因此虚拟首地址+ 偏移量即可得到具体寄存器地址
gpioa_base = ioremap(0xC001A000, 0x64);

//读GPIOAOUTENB寄存器
reg = readl(gpioa_base + 4);

//写GPIOAOUTENB寄存器
writel(reg, gpioa_base + 4);

//linux内核提供了一组函数来操作IO口寄存器， 驱动程序员可直接使用
#include <plat/gpio-cfg.h>
#include <mach/gpio.h>

//LED硬件连接
//GPIO 引脚A30/B00/B10/A8 分别连接 led 1/2/3/4

//LED的IO初始化
//GPIOxALTFNn： 配置为GPIO功能
//GPIOxOUTENB： 配置为输出功能


//点亮LED
//GPIOxOUT： 输出高电平

ioctl驱动接口实现

通过设备驱动程序执行各种类型的硬件控制， 而ioctl可以对此支持

ioctl中的cmd与arg参数都是由程序员自行规定的，具有很高的灵活性

int (*unlocked_ioctl)(struct file *,unsigned int, unsigned long);