文章目录

前言
一、设备驱动分类
二、字符设备驱动简介
三、字符设备驱动开发
- 1、APP打开的文件在内核中如何表示
- 2、编写驱动程序的步骤
- 3、hello 驱动程序编写
- - <1>、试验程序编写
  - <2>、测试程序编写
  - <3>、编写 Makefile
  - <4>、编译
- 3、运行测试
- - <1>、上传程序到开发板执行
  - <2>、加载驱动模块
  - <3>、创建设备节点文件
  - <4>、hello_drv 设备操作测试
  - <5>、卸载驱动模块
总结

前言

搞嵌入式有两个方向，一个是嵌入式软件开发 (MCU 方向)，另一个是嵌入式软件开发 (Linux 方向)。其中 MCU 方向基本是裸机开发和 RTOS 开发。而 Linux 开发方向又分为驱动开发和应用开发。其中应用开发相比于驱动开发来说简单一些，因为搞驱动请你要和 Linux 内核打交道。而我们普通的单片机开发就是应用开发，和 Linux 开发没多大区别，单片机你去调别人写好的库，Linux 应用你也是调别人的驱动程序。
很多人学习的路线是：单片机到 RTOS，再到 Linux，这个路线其实是非常好，循序渐进。因为你学了单片机，所以你对 RTOS 的学习会很容易理解，单片机 + RTOS 在市面上也可以找到一个很好的工作。因为你学了 RTOS，你会发现 Linux 驱动开发其实和 RT-Thread 的驱动程序非常像，其实 RT-Thread 驱动大概率可能是仿 Linux 驱动而写的。所以如果你现在在学 RT-Thread，那么你后面去搞 Linux 驱动也是非常容易上手。
当然做驱动去之前你还是要学习一下 ubuntu 操作系统、ARM 裸机和 linux 系统移植，其目的就是为学习嵌入式 linux 驱动开发做准备。

本文通过在荔枝派上实现一个 hello 驱动程序，其目的是深入的了解加载驱动程序的运作过程。

一、设备驱动分类

在Linux中，驱动分为三大类：

字符设备驱动
- 字符设备驱动是占用篇幅最大的一类驱动，因为字符设备最多，从最简单的点灯到 I2C、SPI、音频等都属于字符设备驱动的类型。
块设备驱动
- 块设备和网络设备驱动要比字符设备驱动复杂，就是因为其复杂所以半导体厂商一般都给我们编写好了，大多数情况下都是直接可以使用的。
- 所谓的块设备驱动就是存储器设备的驱动，比如 EMMC、NAND、SD 卡和 U 盘等存储设备，因为这些存储设备的特点是以存储块为基础，因此叫做块设备。
网络设备驱动
- 网络设备驱动很好理解，不管是有线的还是无线的，都属于网络设备驱动的范畴。一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如 USB WIFI，其使用 USB 接口，所以属于字符设备，但是其又能上网，所以也属于网络设备驱动。

我使用的Linux内核版本为 5.2.0，其支持设备树Device tree。

二、字符设备驱动简介

字符设备是Linux驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、IIC、SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

那么在Linux下的应用程序是如何调用驱动程序的呢？Linux 应用程序对驱动程序的调用如图所示：
Linux应用程序对驱动程序的调用流程

Linux应用程序对驱动程序的调用流程

在Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在/dev目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为/dev/xxx(xxx是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。

写驱动的人必须要懂linux内核，因为驱动程序就是根据内核的函数去写的，写应用的人不需要懂linux内核，只需要熟悉驱动函数就可以了。

比如现在有个叫做 /dev/led 的驱动文件，是 led 灯的驱动文件。应用程序使用 open 函数来打开文件 /dev/led，使用完成以后使用 close 函数关闭 /dev/led 这个文件。open 和 close 就是打开和关闭 led 驱动的函数，如果要点亮或关闭 led，那么就使用 write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开 led 的控制参数。如果要获取 led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。

应用程序运行在用户空间，而 Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用 open函数打开 /dev/led 这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。

open、close、write 和 read等这些函数是由 C 库提供的，在 Linux 系统中，系统调用作为 C 库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如图所示：
在这里插入图片描述

open函数调用流程

其中关于 C 库以及如何通过系统调用“陷入”到内核空间这个我们不用去管，我们关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了 open 这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为 open 的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数。

在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体，此结构体就是Linux 内核驱动操作函数集合，内容如下所示：

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;

在这里插入图片描述

第 1790 行，owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE。
第 1791 行，llseek 函数用于修改文件当前的读写位置。
第 1792 行，read 函数用于读取设备文件。
第 1793 行，write 函数用于向设备文件写入(发送)数据。
第 1799 行，poll 是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
第 1800 行，unlocked_ioctl 函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的 ioctl 函数对应。
第 1801 行，compat_ioctl 函数与 unlocked_ioctl 函数功能一样，区别在于在 64 位系统上，32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是 unlocked_ioctl。
第 1802 行，mmap 函数用于将将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如 LCD 驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
第 1804 行，open 函数用于打开设备文件。
第 1806 行，release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。
第 1807 行，fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。

三、字符设备驱动开发

学习裸机或者 STM32 的时候关于驱动的开发就是初始化相应的外设寄存器，在 Linux 驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器，这个是毫无疑问的。只是在 Linux 驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动，所以说学 Linux 驱动开发重点是学习其驱动框架。

1、APP打开的文件在内核中如何表示

APP 使用 open 函数打开文件时，可以得到一个整数，这个整数被称为文件句柄。对于APP 的每一个文件句柄，在内核里面都有一个 struct file 与之对应。

struct file {
    union {
        struct llist_node   fu_llist;
        struct rcu_head     fu_rcuhead;
    } f_u; 
    struct path     f_path;
    struct inode        *f_inode;   /* cached value */
    const struct file_operations    *f_op;

    /*   
     * Protects f_ep_links, f_flags.
     * Must not be taken from IRQ context.
     */
    spinlock_t      f_lock;
    enum rw_hint        f_write_hint;
    atomic_long_t       f_count;
    unsigned int        f_flags;
    fmode_t         f_mode;
    struct mutex        f_pos_lock;
    loff_t          f_pos;
    struct fown_struct  f_owner;
    const struct cred   *f_cred;
    struct file_ra_state    f_ra;

    u64         f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
    void            *f_security;
#endif
    /* needed for tty driver, and maybe others */
    void            *private_data;
#ifdef CONFIG_EPOLL
    /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
    struct list_head    f_ep_links;
    struct list_head    f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
    struct address_space    *f_mapping;
    errseq_t        f_wb_err;
} __randomize_layout
  __attribute__((aligned(4)));  /* lest something weird decides that 2 is OK */

在这里插入图片描述
我们使用open打开文件时，传入的 flags、mode 等参数会被记录在内核中对应的 struct file 结构体里(f_flags、f_mode)：

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

去读写文件时，文件的当前偏移地址也会保存在 struct file 结构体的 f_pos 成员里。

打开字符设备节点时，内核中也有对应的 struct file，注意这个结构体中的结构体：struct file_operations *f_op，这是由驱动程序提供的。
在这里插入图片描述

驱动程序的 open/read/write

2、编写驱动程序的步骤

确定主设备号，也可以让内核分配。
定义自己的 file_operations 结构体。
实现对应的 drv_open/drv_read/drv_write 等函数，填入 file_operations 结构体。
把file_operations结构体告诉内核：register_chrdev。
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。
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。
其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create，device_create。

3、hello 驱动程序编写

<1>、试验程序编写

应用程序调用 open 函数打开 hello_drv 这个设备，打开以后可以使用 write 函数向hello_drv 的写缓冲区 writebuf 中写入数据(不超过 100 个字节)，也可以使用 read 函数读取读缓冲区 readbuf 中的数据操作，操作完成以后应用程序使用 close 函数关闭 chrdevbase 设备。

hello_drv.c

#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>

/* 1. 确定主设备号*/
static int major = 200;
static char kernel_buf[1024];
static struct class *hello_class;


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

/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体  */
static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
    int err;
    printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));
    return MIN(1024, size);
}

static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
    int err;
    printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));
    return MIN(1024, size);
}

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

static int hello_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 hello_drv = {
    .owner  = THIS_MODULE,
    .open    = hello_drv_open,
    .read    = hello_drv_read,
    .write   = hello_drv_write,
    .release = hello_drv_close,
};

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                */
/* 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 hello_init(void)
{
    int retvalue;

    printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    retvalue = register_chrdev(major, "hello_drv", &hello_drv);  /* /dev/hello_drv */
    if(retvalue < 0){
        printk("chrdevbase driver register failed\r\n");
    }
    printk("chrdevbase init!\r\n");
    return 0;
}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数*/
static void __exit hello_exit(void)
{
    printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    unregister_chrdev(major, "hello_drv");
}


/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点   */
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("licheepi");

<2>、测试程序编写

驱动编写好以后是需要测试的，一般编写一个简单的测试 APP，测试 APP 运行在用户空间。测试 APP 很简单，通过输入相应的指令来对 hello_drv 设备执行读或者写操作。

hello_drv_test.c

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

/*
   app测试
   ./hello_drv_test -w hello licheepi Zero !!!
   ./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_drv", O_RDWR);
    if (fd == -1)
    {
        printf("can not open file /dev/hello_drv\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;
}

<3>、编写 Makefile

KERNELDIR := /home/Gnep/licheepi_zero/linux
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := hello_drv.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
	$(CROSS_COMPILE)arm-linux-gnueabihf-gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c 

clean: 	
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第 1 行，KERNELDIR 表示开发板所使用的 Linux 内核源码目录，使用绝对路径，大家根据自己的实际情况填写。
第2行，CURRENT_PATH 表示当前路径，直接通过运行 pwd 命令来获取当前所处路径。
第3行，obj-m 表示将 hello_drv.c 这个文件编译为 hello_drv.ko 模块。
第8行，具体的编译命令，后面的 modules 表示编译模块，-C 表示将当前的工作目录切换到指定目录中，也就是 KERNERLDIR 目录。M 表示模块源码目录，make modules 命令中加入 M=dir 以后程序会自动到指定的 dir 目录中读取模块的源码并将其编译为 .ko 文件。
第9行，使用交叉编译工具链将 hello_drv_test.c 编译成可以在 arm 板子上运行的hello_drv_test 可执行文件。

至此，目录下存在以下三个文件，分别是 hello_drv.c、hello_drv_test.c、Makefile
在这里插入图片描述

<4>、编译

Makefile 编写好以后输入 make 命令编译驱动模块，编译过程如图所示。
在这里插入图片描述

注：ubuntu 中的 linux 源码需要之前编译过，编译的具体步骤请参考：
荔枝派Zero(全志V3S)编译Kernel

编译成功以后就会生成一个叫做 hello_drv.ko 的文件，此文件就是 hello_drv 设备的驱动模块。至此，hello_drv设备的驱动就编译成功。
在这里插入图片描述

3、运行测试

<1>、上传程序到开发板执行

主机 ip ：192.168.25.25
板子 ip ：192.168.25.20

这里通过 tftp 命令将文件直接上传到板子上，具体的 tftp 服务器搭建及使用方法可以参考：SSH 服务器、NFS 服务器、TFTP 服务器详解及测试

在板子串口测执行以下指令将 hello_drv.ko、 hello_drv_test 传输到板子上

tftp -g -l hello_drv.ko 192.168.25.25
tftp -g -l hello_drv_test 192.168.25.25
ls

在这里插入图片描述

<2>、加载驱动模块

驱动模块 hello_drv.ko 和 hello_drv_test 可执行文件都已经准备好了，接下来就是运行测试。输入如下命令加载 hello_drv.ko 驱动文件：

insmod hello_drv.ko

在这里插入图片描述
输入 lsmod 命令即可查看当前系统中存在的模块

lsmod

在这里插入图片描述
当前系统只有 hello_drv 这一个模块。输入如下命令查看当前系统中有没有 hello_drv 这个设备：

cat /proc/devices

在这里插入图片描述
可以看出，当前系统存在 hello_drv 这个设备，主设备号为 200，跟我们设置的主设备号一致。

<3>、创建设备节点文件

驱动加载成功需要在 /dev 目录下创建一个与之对应的设备节点文件，应用程序就是通过操作这个设备节点文件来完成对具体设备的操作。输入如下命令创建 /dev/hello_drv 这个设备节点文件：

mknod /dev/hello_drv c 200 0

其中 mknod 是创建节点命令，/dev/hello_drv 是要创建的节点文件，c 表示这是个字符设备，200 是设备的主设备号，0 是设备的次设备号。创建完成以后就会存在 /dev/hello_drv 这个文件。
如果 hello_drv_test 想要读写 hello_drv 设备，直接对 /dev/hello_drv 进行读写操作即可。相当于 /dev/hello_drv 这个文件是 hello_drv 设备在用户空间中的实现。Linux 下一切皆文件，包括设备也是文件，现在大家应该是有这个概念了吧？

<4>、hello_drv 设备操作测试

一切准备就绪。使用 hello_drv_test 软件操作 hello_drv 这个设备，看看读写是否正常，首先进行写操作，将字符串输入 hello Licheepi !!! 写入到内核中

./hello_drv_test -w "hello Licheepi !!!"

在这里插入图片描述
然后再从内核中将刚写入的字符串读出来

./hello_drv_test -r

在这里插入图片描述
可以看到读写正常，说明我们编写的 hello_drv 驱动是没有问题的。

<5>、卸载驱动模块

如果不再使用某个设备的话可以将其驱动卸载掉，比如输入如下命令卸载掉 hello_drv 这个设备：

rmmod hello_drv.ko

卸载以后使用 lsmod 命令查看 hello_drv 这个模块还存不存在：

lsmod

在这里插入图片描述
可以看出，此时系统已经没有任何模块了，hello_drv 这个模块也不存在了，说明模块卸载成功。

至此，hello_drv 这个设备的整个驱动就验证完成了，驱动工作正常。以后的字符设备驱动实验基本都可以此为模板进行编写。

参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/584572352

总结

上面就是Linux中的字符驱动，做嵌入式还是要把 C 语言的基础打牢，尤其是结构体、指针和链表，如果这第三个你能很好的理解那么 Linux 驱动编程就非常容易，因为驱动开发就 = 软件架构 + 硬件操作。而软件架构就需要你要非常熟悉 C 语言，硬件操作就是你单片机的那几个寄存器操作。

我的qq：2442391036，欢迎交流！

荔枝派Zero(全志V3S)驱动开发之hello驱动程序