Linux platform子系统和设备树

1 Linux platform子系统

在Linux 2.6内核中，提出了总线、设备、驱动的架构，目的是让我们写出来的驱动通用性更强。

arm核内部总线结构：
在这里插入图片描述

1.1 核心思想

将设备的信息从驱动中分离出来，我们需要在操作系统中，添加设备和驱动两部分。
设备中包含是设备的信息(资源)，驱动中包含的是操作设备函数接口。
为了能让驱动最终能操作我们的硬件设备，我们在驱动中必须获取设备的信息(资源)。驱动是如何获取具体设备信息呢？
设备和驱动都会注册到总线上，当注册设备的时候，会去寻找同名的驱动,当注册驱动的时候，也会去找同名的设备。相互查找。一旦匹配成功，操作系统就会自动调用驱动提供的probe函数。我们只需要在probe函数中，使用操作系统提供的通用API获取硬件的资源即可。

在这里插入图片描述

1.2 Linux总线的理解

总线在操作系统中本质就是两个链表: 挂载设备的链表和挂载驱动的链表。
在操作系统中总线种类可以分成两大类：
平台总线：平台总线挂载都是控制器设备，用于CPU核与硬件控制器之间的通信。在Linux系统中用"platform bus"表示。
边缘设备之间通信的总线：边缘设备之间通信的总线挂载是符合总线时序的外围设备如:i2c , spi ,usb , uart 等。不同的边缘设备之间通信的总线，总线时序是不一样的，
对于这些总线，Linux 内核是单独实现的

1.3 基于总线写驱动的思路

根据自己的设备，确定总线的类型
根据总线的类型, 确定设备在总线上如何描述
根据总线的类型, 确定驱动在总线上如何描述
根据总线的类型，确定在总线上如何注册设备
根据总线的类型，确定在总线上如何注册驱动
根据总线的类型, 确定设备和驱动匹配原则

设备和驱动匹配后，操作系统就会调用驱动提供的probe函数。在这个函数中，一般需要做两件事情:

(1)获取匹配的硬件资源
(2)向上层提供硬件设备的操作函数接口(如:注册字符设备)

案例代码：

驱动程序：

#include "linux/export.h"
#include "linux/platform_device.h"
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mod_devicetable.h>

#define PLATFORM_LED_NAME "imx_led"



static int imx_led_probe(struct platform_device *pdev)
{
    int err = 0;
    struct resource	*led_ccm_reg;
    struct resource	*led_mux_reg;
    struct resource	*led_gpio_reg;

    printk("imx led probe\n");
    /* probe函数
     * 1、获取平台设备资源
       2、注册设备驱动，向上层提供接口
    */

    /* 1、获取平台设备资源 */
    led_ccm_reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
    if (!led_ccm_reg) {
        err = -ENODEV;
        printk("platform_get_resource ccm\n");
        goto err_platform_get_resource;
    }
    printk("ccm addr: %#x\n", (unsigned int)led_ccm_reg->start);

    led_mux_reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 1);
    if (!led_mux_reg) {
        err = -ENODEV;
        printk("platform_get_resource mux\n");
        goto err_platform_get_resource;
    }
    printk("mux addr: %#x\n", (unsigned int)led_mux_reg->start);

    led_gpio_reg = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 2);
    if (!led_gpio_reg) {
        err = -ENODEV;
        printk("platform_get_resource gpio\n");
        goto err_platform_get_resource;
    }
    printk("gpio addr: %#x\n", (unsigned int)led_gpio_reg->start);

    /* 2、注册字符设备驱动：向应用层提供接口 todo */

    return 0;

err_platform_get_resource:
    return err;
}

static int imx_led_remove(struct platform_device *pdev)
{
    printk("imx led remove\n");
    return 0;
}

/* 3、关联平台设备 */
static const struct of_device_id imx_lex_dt_ids[] = {
	{ .compatible = PLATFORM_LED_NAME },
	{ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, imx_lex_dt_ids);

/* 1、描述平台驱动 */
static struct platform_driver drv = {
    .probe = imx_led_probe,
    .remove = imx_led_remove,
    .driver = {
        .name = PLATFORM_LED_NAME,
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = imx_lex_dt_ids,
    }
};

static int __init led_init(void)
{
    int err = 0;
    /* 2、注册平台驱动 */
    err = platform_driver_register(&drv);
    if (err < 0) {
        printk("platform_driver_register failed\n");
        goto err_platform_driver_register;
    }

    printk("driver init success\n");
    return 0;

err_platform_driver_register:
    return err;
}

static void __exit led_exit(void)
{
    platform_driver_unregister(&drv);
    printk("driver exit\n");
}

MODULE_AUTHOR("jk luo");
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_DESCRIPTION("This is platform driver");

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

设备程序：

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

#define PLATFORM_LED_NAME "imx_led"
#define LED_CCM_REG 0x20C406C  // 26、27管脚高电平
#define LED_CCM_REG_SIZE 0x4
#define LED_MUXCTL_REG 0x20E00B0  // 低四位设置为0101
#define LED_MUXCTL_REG_SIZE 0x4
#define LED_GPIO_BASE_REG 0x209C000
#define LED_GPIO_REG_SIZE 0x8
#define LED_GPIO_DAT_REG_OFFSET 0x0  // gpio1的27号管脚
#define LED_GPIO_DIR_REG_OFFSET 0x4  // 高电平输出，低电平输入

void led_device_release(struct device *dev)
{
    printk("led_device_release\n");
}

static struct resource led_device_resource[] = {
    [0] = {
        .start = LED_CCM_REG,
        .end = LED_CCM_REG + LED_CCM_REG_SIZE - 1,
        .flags = IORESOURCE_MEM,
    },
    [1] = {
        .start = LED_MUXCTL_REG,
        .end = LED_MUXCTL_REG + LED_MUXCTL_REG_SIZE - 1,
        .flags = IORESOURCE_MEM,
    },
    [2] = {
        .start = LED_GPIO_BASE_REG,
        .end = LED_GPIO_BASE_REG + LED_GPIO_REG_SIZE - 1,
        .flags = IORESOURCE_MEM,
    }
};

static struct platform_device pdev = {
    .name = PLATFORM_LED_NAME,
    .resource = led_device_resource,
    .num_resources = ARRAY_SIZE(led_device_resource),
    .dev = {
        .release = led_device_release,
    }
};

static int __init led_init(void)
{
    int err = 0;
    err = platform_device_register(&pdev);
    if (err < 0) {
        printk("platform_device_register failed\n");
        goto err_platform_device_register;
    }

    printk("device init success\n");
    return 0;

err_platform_device_register:
    return err;
}

static void __exit led_exit(void)
{
    platform_device_unregister(&pdev);
    printk("unregister device\n");
}

MODULE_AUTHOR("jk luo");
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_DESCRIPTION("This is platform device");

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

2 Linux设备树

Linux内核在启动的时候，要求把设备树文件传递给它。它拿到设备树之后，会解析设备树文件，从而识别设备信息
因为设备的信息是针对于特定平台的，如果我们在Linux内核中包含太多设备信息，则Linux内核移植性就会变差。引入设备树之后，设备的信息的描述不再在是以代码的形式存在于Linux内核源代码中
dtc,device tree compiler，是将.dts 编译为.dtb需要用到的**编译工具,**是编译设备树的小工具
dts,device tree source，是设备树**源码文件，**是描述硬件信息的asiII文本文件
dtsi,device tree source include，是设备树源码文件要用到的头文件,类似头文件，描述平台共性
dtb,device tree binary，是将DTS 编译以后得到的二进制文件是编译后的二进制文件，可被bootloader/kernel识别并解析

一般开发的时候，把这些设备树文件拷贝出来，方便查找：

imx6ull-14x14-smartcar.dts：外围设备相关设备树文件
imx6ull.dtsi：芯片相关设备树文件

将dtb文件反编译成dts文件：C.将test.dtb文件反编译成test.dts文件：dtc -O dts -I dtb -o test.dts test.dtb

2.1 设备树语法规则

一个节点就是用来描述一个设备的信息，每个节点必须有一个<名称>[@<设备地址>]形式的名字。

1、名称就是一个ascii字符串，节点的命名应该根据设备的功能来命名。例如一个3com以太网适配器的节点就应该命名为ethernet,而不应该是3com509
2、如果存在reg属性：则设备地址是reg属性的第一个数字。
3、每个设备的节点都应该有一个compatible属性

2.2 节点属性

属性有两种格式:

格式1(没有值) : property-name
格式2(键值对) : property-name = value

2.3 添加设备树节点

在设备树文件的首节点的最后一个大括号之前添加新节点: 每个设备树节点必须要有compatible属性。compatible用于与驱动匹配，reg表示寄存器地址和大小。

	};
	// 在首节点的最后一个大括号之前添加新节点。节点名称格式为：名称@reg中第一个数字
	smartcar-led@20c406c {
		compatible = "imx-led"; // 这个名称与驱动匹配
		reg = <0x20c406c 0x4>,<0x20e00b0 0x4>,<0x209c000 0x8>; // 设备的寄存器地址,多个寄存器，用逗号隔开
	};
};

在开发板的/sys/firemware/devicetree/base目录下可以查看设备树是否添加成功。

2.4 在驱动中匹配设备树节点

通过struct device_driver结构体中的of_match_table成员，来匹配设备树节点。

static struct platform_driver imx_led_driver = {
	.driver = {
           .of_match_table = led_dt_ids, // 匹配设备树节点
		  },
};

3 pinctrl和GPIO子系统

所谓的子系统，实质上就是设备树中，对SOC芯片不同寄存器进行了定义和配置。驱动开发时，仅需了解了SOC芯片厂商是如何在设备树中定义这些寄存器的，然后将这些子系统配置，以节点属性的方式添加到我们新增的设备树节点中；最后编译设备树，并在驱动程序中调用各子系统的系统API，操作寄存器。

比如：使用IMX6ULL，通过GPIO管脚控制LED流水灯亮、灭。

控制流水灯，需要根据硬件电路图，找到对应的控制管脚，设置管脚IO复用模式IOMUX为GPIO的工作模式（IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_TX_DATA）
配置好IOMUX后，还需要配置管脚PAD属性，这些属性配置比较复杂，需要根据SOC厂商的芯片说明（IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_TX_DATA），进行配置，通常参考设备树中其他pinctrl的配置值即可。
最后要配置管脚的输入输出工作模式。如果为输出工作模式，还需要配置高低电平。

基于以上流程:

SOC芯片厂商，在设备树中，对IOMUX和输入工作模式配置，通过一个宏定义直接做好了，我们只需找到对应的宏即可
管脚PAD属性：参考设备树中，同一IOMUX工作模式下，厂商的配置。
最后，将这些配置，在pinctrl子系统中，新增子节点。

		pinctrl_rgb_led: rgb_led {
			fsl,pins = <
				MX6UL_PAD_GPIO1_IO04__GPIO1_IO04  0x1b0b1
				MX6UL_PAD_CSI_VSYNC__GPIO4_IO19  0x1b0b1
				MX6UL_PAD_CSI_HSYNC__GPIO4_IO20  0x1b0b1
			>;
		};

GPIO子系统：

在设备树文件imx6ull.dtsi中，定义了各gpioX组的设备信息，只需在我们新增的设备树节点中，以属性的方式引用对应的gpioX组；最后在驱动程序中，调用系统提供的API操作GPIO管脚。

	};
	// 在首节点的最后一个大括号之前添加新节点
	smartcar-led@20c406c {
		compatible = "imx-led"; // 这个名称与驱动匹配
		reg = <0x20c406c 0x4>,<0x20e00b0 0x4>,<0x209c000 0x8>; // 设备的寄存器地址
		status = okay;
		pinctrl-0 = <&pinctrl_rgb_led>;
		rgb_led_red = <gpio1 4 GPIO_ACTIVE_LOW>;
		rgb_led_green = <gpio4 20 GPIO_ACTIVE_LOW>;
		rgb_led_red = <gpio4 19 GPIO_ACTIVE_LOW>;
	};
};