嵌入式Linux学习笔记(三) 字符型设备驱动--LED的驱动开发

　　在成功构建了一个能够运行在开发板平台的系统后，下一步就要正式开始应用的开发(这里前提是有一定的C语言基础，对ARM体系的软/硬件，这部分有疑问可能要参考其它教程)，根据需求仔细分解任务，可以发现包含的外设有LED，BEEP，RS232，六轴传感(SPI接口),光环境传感器(I2C)，音频输出, RTC等，如果按照这个顺序去实现驱动，一定程度其实又回归最初的模块学习的策略，不过既然是从应用的角度，先实现应用框架，来验证是否符合预期，这比测试模块驱动的更重要，也更容易有产出感。按照这个需求，就可以先把实际工作分解为如下几个步骤:

　　1.完成LED驱动，能够正常控制LED的点亮和关闭(本节完成)

　　2.完成RS232的驱动，能够实现串口的通讯

　　3.定义一套上位机、下位机之间的通讯协议(也可以使用主流工业协议如Modbus), 并在上位机和下位机编码实现通讯协议的组包和解包

　　4.实现一套界面化的上位机工具，带有调试功能和控制功能

　　既然初步的工作已经清晰，就可以开始第一步的工作，完成LED的驱动。

参考资料

　　1. 开发板原理图《IMX6UL_ALPHA_V2.0(底板原理图)》《IMX6ULL_CORE_V1.4(核心板原理图)》

　　2. 正点原子《Linux驱动开发指南说明V1.0》第四十章字符驱动设备开发

　　3. 宋宝华《Linux设备驱动开发详解：基于最新的Linux 4.0内核》第六章字符驱动设备

　　4. 恩智浦官方手册《IMX6ULL参考手册》Chapter 18:Clock Controller Module(CCM)/Chapter 28:General Purpose Input/Output (GPIO)

LED硬件配置实现

　　首先当然要确定原理图，下图来自底板和核心板原理图。

　　通过追踪就可以查看当前使用LED的引脚为GPIO1_IO3。

　　确定硬件后，第一步就是配置GPIO需要使用的寄存器了，对于使用过单片机的用户来说，对于GPIO这类外设，一般包含以下步骤：

　　1. 使能模块时钟

　　2. 配置模块或者相关模块的寄存器，使模块复用到需要的功能

　　3. 提供对外访问的接口

　　对于嵌入式Linux来说，这部分也没有区别，硬件初始化接口(具体寄存器可使用《IMX6ULL参考手册》查询)

 1 /**
 2  * LED硬件初始化，引脚GPIO1_IO03
 3  * 
 4  * @param NULL
 5  *
 6  * @return NULL
 7  */
 8 static void led_gpio_init(void)
 9 {
10     u32  value;
11 
12     /*1. 寄存器地址映射*/
13     IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(0X020C406C, 4);     //时钟使能 
14     SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E0068, 4);   //复用功能设置
15     SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E02F4, 4);   //设置PAD的输出状态
16     GPIO1_DR = ioremap(0X0209C000, 4);            //设置LED输出
17     GPIO1_GDIR = ioremap(0X0209C004, 4);          //设置GPIO的状态
18 
19     /*2.时钟使能*/
20     value = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
21     value &= ~(3 << 26);    
22     value |= (3 << 26);
23     writel(value, IMX6U_CCM_CCGR1);
24     printk("led write 0");
25 
26     /*3.复用功能设置*/
27     writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
28 
29     /*4.引脚IO功能设置*/
30     writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
31 
32     /*5.引脚输出功能配置*/
33     value = readl(GPIO1_GDIR);
34     value |= (1 << 3);    /* 设置新值 */
35     writel(value, GPIO1_GDIR); 
36 
37     /*5.关闭LED显示，高电平关闭*/
38     value = readl(GPIO1_DR);
39     value |= (1 << 3);    
40     writel(value, GPIO1_DR);
41 
42     printk(KERN_INFO"led hardware init ok\r\n");
43 }

　　硬件资源释放.

 1 /**
 2  * 释放硬件资源
 3  * 
 4  * @param NULL
 5  *
 6  * @return NULL
 7  */
 8 static void led_gpio_release(void)
 9 {
10     iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
11     iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
12     iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
13     iounmap(GPIO1_DR);
14     iounmap(GPIO1_GDIR);
15 }

　　硬件设备管理

 1 /**
 2  *LED灯开关切换
 3  * 
 4  * @param status  LED开关状态，1开启，0关闭
 5  *
 6  * @return NULL
 7  */
 8 static void led_switch(u8 status)
 9 {
10     u32 value;
11     value = readl(GPIO1_DR);
12 
13     switch(status)
14     {
15         case LED_OFF:
16             printk(KERN_INFO"led off\r\n");
17             value |= (1 << 3);    
18             writel(value, GPIO1_DR);
19             break;
20         case LED_ON:
21             printk(KERN_INFO"led on\r\n");
22             value &= ~(1 << 3);    
23             writel(value, GPIO1_DR);
24             break;
25         default:
26             printk(KERN_INFO"Invalid LED Set");
27             break;
28     }
29 }

至此，我们就实现了和硬件执行的接口

led_gpio_init()/led_gpio_release()/led_switch(n)

嵌入式内核模块实现

　　嵌入式内核模块的参考本系列的第一篇文件，主要提供加载到Linux内核，用于insmod和rmmod访问的接口，这部分因为已经讲过，如果希望理解就去看第一节内容，或者参考上面提供的资料。

　　Linux加载的接口:

 1 /**
 2  * 驱动入口函数
 3  * 
 4  * @param NULL
 5  *
 6  * @return the error code, 0 on initialization successfully.
 7  */
 8 static int __init led_module_init(void)
 9 {
10     //此处添加设备注册的实现
11     //......
12 }
13 module_init(led_module_init);

　　Linux释放的接口:

 1 /**
 2  * 驱动释放函数
 3  * 
 4  * @param NULL
 5  *
 6  * @return the error code, 0 on release successfully.
 7  */
 8 static void __exit led_module_exit(void)
 9 {
10    //此处添加设备注销的实现
11    //......    
12 }
13 module_exit(led_module_exit);

　　此外，在添加驱动说明，如作者，许可证和驱动说明等

1 MODULE_AUTHOR("zc");                          //模块作者
2 MODULE_LICENSE("GPL v2");                     //模块许可协议
3 MODULE_DESCRIPTION("led driver");             //模块许描述
4 MODULE_ALIAS("led_driver");                   //模块别名

　　至此本节的准备工作全部完成，下面就开始完成总线上设备的创建，这也是本章最核心的特征。

设备创建和释放

　　设备创建如果按照固定的结构，使用起来虽然有些困难，如果按照官方流程来实现，是有迹可循的。但是如何从应用层的访问接口open，read，write，close到底层驱动的xxx_open, xxx_read, xxx_write, xxxx_close的调用，这部分的理解在整个驱动机制的重要部分，这部分的难度当然不是一次可以讲清楚的，这里先抛砖引玉，在后面驱动的实践中会步步深入去理解。

　　作为熟悉C语言知识的开发者来说，可以很清楚open这一类接口是用来访问文件的，而在Linux中，字符型设备和块设备就体现了"一切都是文件"的思想，参考《Linux设备驱动开发详解：基于最新的Linux 4.0内核》第5章的说明，

通关VFS(virtual Filesytem), 将上层接口操作/dev/*下的设备文件，最后访问到驱动内部注册的实际操作硬件的接口。

想理解这部分知识，就需要理解应用层接口做了什么工作，参考这篇文章，https://www.jianshu.com/p/f3f5a33f2c59，以open为例。

open函数,这里可以简述步骤（下面所有实现在linux/fs/namei.c文件中)

1.获取一个可用的id，用于外部的记录，如fd

2.根据name名称如"/dev/led"获取file指针信息，包含设备的实际信息

3.将fd与file关联起来，后续就可以通关fd直接访问file指针的内容(设备端信息指针file)，至此我们就获取设备端的信息

4.创建inode类型的数据nd，这部分就是VFS中链接到真正驱动的位置信息，其中包含的cdev *i_cdev即是和设备相关的指针，至于这部分如何链接到实际设备，等后续深入了解后在详细了解。

5.file和nd的链接则依靠file->f_path.mnt和nd->path.mnt配置相等实现

到达这一步，当然还远远不够，但目前只是初步入门，先不过度深入，下面开始驱动编写。其中在module_init中主要完成注册流程，module_exit中完成释放流程，此外还要实现访问LED的接口，具体如下:

　　1.访问LED的硬件接口链接

  1 /**
  2  * 获取LED资源
  3  * 
  4  * @param inode    
  5  * @param filp
  6  *
  7  * @return the error code, 0 on initialization successfully.
  8  */
  9 int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
 10 {
 11     filp->private_data = &led_driver_info;
 12     return 0;
 13 }
 14 
 15 /**
 16  * 释放LED设备资源
 17  * 
 18  * @param inode
 19  * @param filp
 20  * 
 21  * @return the error code, 0 on initialization successfully.
 22  */
 23 int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
 24 {
 25     return 0;
 26 }
 27 
 28 /**
 29  * 从LED设备读取数据
 30  * 
 31  * @param filp
 32  * @param buf
 33  * @param count
 34  * @param f_ops
 35  *
 36  * @return the error code, 0 on initialization successfully.
 37  */
 38 ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
 39 {
 40     return 0;
 41 }
 42 
 43 /**
 44  * 向LED设备写入数据
 45  * 
 46  * @param filp
 47  * @param buf
 48  * @param count
 49  * @param f_ops
 50  *
 51  * @return the error code, 0 on initialization successfully.
 52  */
 53 ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,  loff_t *f_pos)
 54 {
 55     int result;
 56     u8 databuf[2];
 57 
 58     result = copy_from_user(databuf, buf, count);
 59     if(result < 0) {
 60         printk(KERN_INFO"kernel write failed!\r\n");
 61         return -EFAULT;
 62     }
 63     
 64     /*利用数据操作LED*/
 65     led_switch(databuf[0]);
 66     return 0;
 67 }
 68 
 69 /**
 70  * light从设备读取状态
 71  * 
 72  * @param filp
 73  * @param cmd
 74  * @param arg
 75  *  
 76  * @return the error code, 0 on initialization successfully.
 77  */
 78 long led_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
 79 {
 80     switch(cmd){
 81         case 0:
 82             led_switch(0);
 83             break;
 84         case 1:
 85             led_switch(1);
 86             break;
 87         default:
 88             printk(KERN_INFO"Invalid Cmd!\r\n");
 89             return -ENOTTY;
 90     }
 91 
 92     return 0;
 93 }
 94 
 95 /* 设备操作函数 */
 96 static struct file_operations led_fops = {
 97     .owner = THIS_MODULE,
 98     .open = led_open,
 99     .read = led_read,
100     .write = led_write,
101     .unlocked_ioctl = led_ioctl,
102     .release = led_release,
103 };

2.创建设备，添加到设备总线上，这里要提到知识点，

　　对于一个设备的基本id，由主设备号和子设备号组成，其中主设备就是挂载在/proc/devices下的设备总线上，如果设备已经存在，则可以用register_chdev_region直接生成设备信息，则需要使用alloc_chrdev_region申请新的设备信息。

　　在获取设备信息结构后，可通过cdev_init将cdev，设备号以及上面的硬件操作接口函数链接起来。

　　最后通过cdev_add将设备信息挂载到设备总线上，这时通过cat /proc/devices就可以查看设备是否添加成功。

 1     int result;
 2 
 3     led_driver_info.major = DEFAULT_MAJOR;
 4     led_driver_info.minor = DEFAULT_MINOR;
 5 
 6     /*在总线上创建设备*/    
 7     /*1.申请字符设备号*/
 8     if(led_driver_info.major){
 9         led_driver_info.dev_id = MKDEV(led_driver_info.major, led_driver_info.minor);
10         result = register_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT, DEVICE_LED_NAME);
11     }
12     else{
13         result = alloc_chrdev_region(&led_driver_info.dev_id, 0, DEVICE_LED_CNT, DEVICE_LED_NAME);
14         led_driver_info.major = MAJOR(led_driver_info.dev_id);
15         led_driver_info.minor = MINOR(led_driver_info.dev_id);
16     }
17     if(result < 0){
18         printk(KERN_INFO"dev alloc or set failed\r\n");    
19         return result;
20     }
21     else{
22         printk(KERN_INFO"dev alloc or set ok, major:%d, minor:%d\r\n", led_driver_info.major,  led_driver_info.minor);    
23     }
24     
25     /*2.添加设备到相应总线上*/
26     cdev_init(&led_driver_info.cdev, &led_fops);
27     led_driver_info.cdev.owner = THIS_MODULE;
28     result = cdev_add(&led_driver_info.cdev, led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
29     if(result != 0){
30         unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
31         printk(KERN_INFO"cdev add failed\r\n");
32         return result;
33     }else{
34         printk(KERN_INFO"device add Success!\r\n");    
35     }

3.在/dev/下根据设备号创建设备节点，用于应用上层接口的访问，这部分和mknod /dev/led c 主设备号从设备号功能一致，理论使用指令也可，具体如下。

 1 /* 4、创建类 */
 2     led_driver_info.class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_LED_NAME);
 3     if (IS_ERR(led_driver_info.class)) {
 4         printk(KERN_INFO"class create failed!\r\n");
 5         unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
 6         cdev_del(&led_driver_info.cdev);    
 7         return PTR_ERR(led_driver_info.class);
 8     }
 9     else{
10         printk(KERN_INFO"class create successed!\r\n");
11     }
12 
13     /* 5、创建设备 */
14     led_driver_info.device = device_create(led_driver_info.class, NULL, led_driver_info.dev_id, NULL, DEVICE_LED_NAME);
15     if (IS_ERR(led_driver_info.device)) {
16         printk(KERN_INFO"device create failed!\r\n");
17                 unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);       
18                 cdev_del(&led_driver_info.cdev);
19         
20         class_destroy(led_driver_info.class);
21         return PTR_ERR(led_driver_info.device);
22     }
23     else{
24         printk(KERN_INFO"device create successed!\r\n");
25     }
26 
27     /*硬件初始化*/
28     led_gpio_init();

　　至此，创建设备并添加到设备总线的流程实现完毕，这就是module_init中需要的所有实现。

2.释放模块

　　在上面我们创建设备，占用了系统资源，在卸载模块的时候，这些都要全部释放，不然就会造成内存的泄露，具体如下。

 1 /**
 2  * 驱动释放函数
 3  * 
 4  * @param NULL
 5  *
 6  * @return the error code, 0 on release successfully.
 7  */
 8 static void __exit led_module_exit(void)
 9 {
10     /* 注销字符设备驱动 */
11     device_destroy(led_driver_info.class, led_driver_info.dev_id);
12     class_destroy(led_driver_info.class);
13 
14     cdev_del(&led_driver_info.cdev);
15     unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
16 
17     /*硬件资源释放*/
18     led_gpio_release();
19 }
20 module_exit(led_module_exit);

测试代码实现　　

　　在上面驱动代码就已经实现，但对于应用来说，实现驱动并不是结束，我们还要完成测试单元，但驱动的有效性进行测试，这部分因为并不是严格的工业化项目，所以只做简单的测试，代码如下

 1 #include<unistd.h>
 2 #include<sys/types.h>
 3 #include<sys/stat.h>
 4 #include<fcntl.h>
 5 #include<stdio.h>
 6 
 7 /**
 8  * 测试LED工作
 9  * 
10  * @param NULL
11  *
12  * @return NULL
13  */
14 int main(int argc, const char *argv[])
15 {
16     unsigned char val = 1;
17     int fd;
18 
19     fd = open("/dev/led", O_RDWR | O_NDELAY);
20     if(fd == -1)
21     {
22         printf("/dev/led open error");
23         return -1;
24     }
25 
26     if(argc > 1){   
27         val = atoi(argv[1]);
28     }
29 
30     write(fd, &val, 1);
31 
32     close(fd);   
33 }

Makefile实现

　　Makefile的语法也是嵌入式Linux开发中重要知识，如果没有对bash语法有深刻的认识，且理解编译原理的那部分知识，这部分其实也十分困难，这也不是三两句可以说清楚的，等积累一段时间后专门用笔记讲解这部分内容，初步能大致看懂，修改会编译就够了。

KERNELDIR := /usr/code/linux
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := led.o

build: kernel_modules

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

　　保存为Makefile后，使用make指令，就可以编译生成需要的led.ko文件，此外通过

　　arm-linux-gnueabihf-gcc -o led_test led_test.c也可以生成我们需要的测试文件。

文件上传和执行

　可通过sd卡，ssh或者nfs系统，将上述文件添加到上章编译完成的系统中，

　　执行insmod /usr/driver/led.ko将驱动加载

　　执行lsmod查询当前加载的驱动

　　通过./usr/app/led_test 1或者./usr/app/led_test 0控制LED的点亮和关闭，现象如下:

总结

　　至此，关于LED的驱动开发基本讲解完成，虽然开发参考了部分例程用了不到2个小时，但完成这篇文档用了4个小时，为了能够将知识可以解决出来，去查询书籍，以及去查看内核代码，但是这是值得的，我感觉对驱动有了更深刻的认知，但我认为这是值得的，下节将开始Uart驱动的编写实现，整个流程算走上了正轨，不过我本身还要工作，这是因为五一才有这种效率更新，不过我已经制定了计划，希望能够顺利的去学习吧。