韦东山嵌入式linux系列-驱动设计的思想（面向对象/分层/分离）

1 面向对象

字符设备驱动程序抽象出一个 file_operations 结构体；

我们写的程序针对硬件部分抽象出 led_operations 结构体。

2 分层

上下分层，比如我们前面写的 LED 驱动程序就分为 2 层：

① 上层实现硬件无关的操作，比如注册字符设备驱动： led_drv.c

② 下层实现硬件相关的操作，比如 board_A.c 实现单板 A 的 LED 操作

3 分离

还能不能改进？分离

在 board_A.c 中，实现了一个 led_operations，为 LED 引脚实现了初始化函数、控制函数：

static struct led_operations board_demo_led_opr = {
    .num = 1,
    .init = board_demo_led_init,
    .ctl = board_demo_led_ctl,
};

如果硬件上更换一个引脚来控制 LED 怎么办？你要去修改上面结构体中的init、 ctl 函数。

实际情况是，每一款芯片它的 GPIO 操作都是类似的。比如： GPIO1_3、GPIO5_4 这 2 个引脚接到 LED：

① GPIO1_3 属于第 1 组，即 GPIO1。
a) 有方向寄存器 DIR、数据寄存器DR等，基础地址是addr_base_addr_gpio1。
b) 设置为output引脚：修改GPIO1的DIR寄存器的bit3。
c) 设置输出电平：修改GPIO1的DR寄存器的 bit3。

② GPIO5_4 属于第 5 组，即 GPIO5。
a) 有方向寄存器 DIR、数据寄存器DR等，基础地址是addr_base_addr_gpio5。
b) 设置为 output 引脚：修改GPIO5的DIR寄存器的bit4
c) 设置输出电平：修改GPIO5 的DR寄存器的 bit4。

既然引脚操作那么有规律，并且这是跟主芯片相关的，那可以针对该芯片写出比较通用的硬件操作代码。

比如 board_A.c 使用芯片 chipY，那就可以写出： chipY_gpio.c，它实现芯片 Y 的 GPIO 操作，适用于芯片 Y 的所有 GPIO 引脚。
使用时，我们只需要在 board_A_led.c 中指定使用哪一个引脚即可。程序结构如下：

以面向对象的思想，在 board_A_led.c 中实现 led_resouce 结构体，它定义“资源”──要用哪一个引脚。
在 chipY_gpio.c 中仍是实现 led_operations 结构体，它要写得更完善，支持所有 GPIO。

上下分层，左右分离

4 实例代码

board_A_led.c

#include "led_resource.h"

// gpio3_1
// 3(11)左移16位 -- 11 0000 0000 0000 0000
static struct led_resource board_A_led = {
	.pin = GROUP_PIN(3, 1),
};

// 返回指针
struct led_resource* get_led_resource(void)
{
	return &board_A_led;
}

chip_demo_gpio.c

#include <linux/gfp.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include "led_resource.h"
#include "led_operations.h"

static struct led_resource* p_led_reource;


// init函数
static int board_demo_led_init(int which)
{
	printk("%s %s line %d, led %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which);
	if (!p_led_reource)
	{
		p_led_reource = get_led_resource();
	}
	printk("init gpio: group: %d, pin: %d\n", GROUP(p_led_reource->pin), PIN(p_led_reource->pin));
	switch(GROUP(p_led_reource->pin))
	{
		case 0:
		{
			printk("init pin of group 0...\n");
			break;
		}
		case 1:
		{
			printk("init pin of group 1...\n");
			break;
		}
		case 2:
		{
			printk("init pin of group 2...\n");
			break;
		}
		case 3:
		{
			printk("init pin of group 3...\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

// ctl函数
static int board_demo_led_ctl(int which, char status)
{
	printk("set led: %s: group: %d, pin: %d\n", status ? "on" : "off",
		GROUP(p_led_reource->pin), PIN(p_led_reource->pin));
	switch(GROUP(p_led_reource->pin))
	{
		case 0:
		{
			printk("init pin of group 0...\n");
			break;
		}
		case 1:
		{
			printk("init pin of group 1...\n");
			break;
		}
		case 2:
		{
			printk("init pin of group 2...\n");
			break;
		}
		case 3:
		{
			printk("init pin of group 3...\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

static struct led_operations board_demo_led_operations = {
	.init = board_demo_led_init,
	.ctl = board_demo_led_ctl,
};

// 返回结构体
struct led_operations* get_board_led_operations(void)
{
	return &board_demo_led_operations;
}

led_resource.h

#ifndef LED_RESOURCE_H
#define LED_RESOURCE_H

// gpio3_0
// bit[31:16] = group
// bit[15:0] = which pin
#define GROUP(x) ((x) >> 16)
#define PIN(x) ((x) & 0xFFFF)
#define GROUP_PIN(g, p) (((g) << 16) | (p))

struct led_resource {
	int pin;
};

// 声明函数
struct led_resource* get_led_resource(void);

#endif

led_operations.h

#ifndef LED_OPERATIONS_H
#define LED_OPERATIONS_H

struct led_operations {
    int (*init) (int which);                // 初始化LED，which是哪一个LED
    int (*ctl) (int which, char status);     // 控制LED，which-哪一个LED，status-1亮，0灭
};

// 返回结构体指针
struct led_operations* get_board_led_operations(void);


#endif

led_drv.c

/*************************************************************************
 > File Name: led.drv.c
 > Author: Winter
 > Created Time: Sun 07 Jul 2024 12:35:19 AM EDT
 ************************************************************************/

#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>
#include "led_operations.h"

#define LED_NUM 2


// 1确定主设备号，也可以让内核分配
static int major = 0;				// 让内核分配
static struct class *led_class;
struct led_operations* p_led_operations;





#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

// 3 实现对应的 drv_open/drv_read/drv_write 等函数，填入 file_operations 结构体
static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

// write(fd, &val, 1);
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	char status;
	struct inode* node;
	int minor;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	// 把用户区的数据buf拷贝到内核区status，即向写到内核status中写数据
	err = copy_from_user(&status, buf, 1);
	// 根据次设备号和status控制LED
	node = file_inode(file);
	minor = iminor(node);
	p_led_operations->ctl(minor, status);

	return 1;
}

static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	int minor;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	// 得到次设备号
	minor = iminor(node);
	
	// 根据次设备号初始化LED
	p_led_operations->init(minor);
	return 0;
}

static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}


// 2定义自己的 file_operations 结构体
static struct file_operations led_drv = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_drv_open,
	.read = led_drv_read,
	.write = led_drv_write,
	.release = led_drv_close,
};


// 4把 file_operations 结构体告诉内核： register_chrdev
// 5谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数
static int __init led_init(void)
{
	int err, i;	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	// 注册led_drv，返回主设备号
	major = register_chrdev(0, "winter_led", &led_drv);  /* /dev/led */
	// 创建class
	led_class = class_create(THIS_MODULE, "led_class");
	err = PTR_ERR(led_class);
	if (IS_ERR(led_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "led_class");
		return -1;
	}
	// 创建device
	// 根据次设备号访问多个LED
//	device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "winter_led0"); /* /dev/winter_led0 */
//	device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, 1), NULL, "winter_led1"); /* /dev/winter_led1 */
	for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
	{
		device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "winter_led%d", i);
	}

	// 入口函数获得结构体指针
	p_led_operations = get_board_led_operations();
	
	return 0;
}



// 6有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用unregister_chrdev
static void __exit led_exit(void)
{
	int i;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
	{
		device_destroy(led_class, MKDEV(major, i));
	}
	device_destroy(led_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(led_class);
	// 卸载
	unregister_chrdev(major, "winter_led");
}


// 7其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点： class_create,device_create
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

led_drv_test.c

/*************************************************************************
 > File Name: hello_test.c
 > Author: Winter
 > Created Time: Sun 07 Jul 2024 01:39:39 AM EDT
 ************************************************************************/

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

/*
 * ./led_drv  /dev/winter_led0 on
 * ./led_drv  /dev/winter_led0 off
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	char status;

	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc < 2) 
	{
		printf("Usage: %s <dev> <on | off>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

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

	/* 3. 写文件 */
	if (0 == strcmp(argv[2], "on"))
	{
		status = 1;
	}
	else
	{
		status = 0;
	}
	write(fd, &status, 1);
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

Makefile

# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

KERN_DIR = /home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/Linux-5.4

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

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

# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o

# leddrv.c board_demo.c 编译成 100ask.ko
winter_led-y := led_drv.o chip_demo_gpio.o board_A_led.o
obj-m	+= winter_led.o

编译

5 测试

在开发板挂载 Ubuntu 的NFS目录

mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs/ /mnt

将ko文件和测试代码拷贝到挂载目录，安装驱动

insmod winter_led.ko

执行测试程序

./led_drv_test /dev/winter_led0 on
./led_drv_test /dev/winter_led0 off