【Linux】按键驱动程序
前言：
按键驱动程序--通过读取按键值，执行某些任务。实现过程中可以深刻的认识到驱动的基本技能：中断、休眠、唤醒、poll等机制。
APP读取按键有四种方式，查询方式、休眠-唤醒方式、poll方式以及异步通知方式。这些方式相对应的驱动程序如何编写？是本文探究的地方。（韦老师课程）
一、按键驱动程序的背景知识
APP读取按键有四种方式，查询方式、休眠-唤醒方式、poll方式以及异步通知方式。后面三种方法都涉及到中断服务程序。中断在按键驱动程序中是核心，其更是在单片机还是在Linux中也非常重要。
1.1 查询方式
相较于LED最简驱动程序，这里没有大的区别，驱动程序中构造、注册一个file_operations结构体，里面提供有对应的open、read函数。APP调用open时，相应调用驱动程序里的drv_open函数，配置GPIO引脚为输入引脚。APP调用read时，相应调用驱动程序里的drv_read函数，读取寄存器，把引脚状态返回给APP。
1.2 休眠-唤醒方式
休眠-唤醒的方式相较于查询方式，需要调用中断服务程序，drv_open里还需要注册按键中断服务程序，drv_read里则是分为两种情况，有按键数据时，直接返回，没有数据时，休眠。
当用户按下按键时，GPIO中断触发，相应驱动程序之前注册的中断服务程序调用执行，记录按键数据，并唤醒休眠中的APP。
APP唤醒后继续在内核态运行，执行驱动代码，把按键数据返回到用户空间。
1.3 poll方式
上面的休眠-唤醒方式，有一个缺陷，如果用户一直操作按键，那么APP就会永远休眠。我们可以定一个闹钟，到时唤醒---poll方式。
APP调用poll/select函数，意图是“查询”是否有数据，函数可以指定一个超时时间，即在这段时间内没有数据，就返回错误。这里会调用驱动程序里的drv_poll。
这里APP唤醒就有两种方式，用户按下按键以及超时。被唤醒的APP在内核态继续运行，把“状态”返回给APP（用户空间）。
APP得到poll/select函数的返回结果后，如果确认有数据，则再调用read函数，相应调用驱动程序中的drv_read函数，驱动程序中有数据，会直接返回数据。
1.4 异步通知
异步通知的实现原理是：内核给APP发信号。信号有很多中，这里常用的是SIGIO。
驱动程序中构造、注册一个file_operations结构体，里面提供有对应的open、read、fasync函数。
- APP调用open时，导致驱动中对应的open函数被调用，在里面配置GPIO为输入引脚，并注册GPIO的中断处理函数。
- APP给信号SIGIO注册自己的处理函数：my_signal_fun
- APP调用fcntl函数，将驱动程序的flag改为FASYNC，对应调用驱动程序的drv_fasync---记录进程PID
- 当用户按下按键时，GPIO中断被触发，执行中断服务程序（记录按键数据，给进程PID发送SIGIO信号）
- APP收到信号后会被打断，先执行信号处理函数。信号处理函数中可以调用read函数读取按键值
- 信号处理函数返回后，APP会继续执行原先被打断的代码。
1.5 总结
我们实现的驱动程序应该要实现上述的四种方式，不限制APP使用哪种方法。
驱动程序提供能力，不提供策略。APP想用哪种方法都可以，驱动程序都可以提供，驱动程序不限制你使用哪种方法。
二、按键驱动程序的框架
这里以分层的思想构建驱动框架。驱动程序的简单框架，参照文章：http://t.csdn.cn/NVv3I
目的写出一个容易扩展到各种芯片、各种板子的按键驱动程序，这里分为上下两层：
- ①button_drv.c分配/设置/注册file_operations结构体
- 向上提供button_open、button_read供APP调用
- 向下调用底层硬件提供的p_button_opr中的init、read函数操作硬件
- ②board_xxx.c分配/配置/注册button_operations结构体
- 定义单板的按键操作函数
三、按键驱动程序实战
这里主体实现的函数文件对应有button_drv.c、button_drv.h、button_test.c、Makefile以及board_100ask_imx6ull.c。
3.1 头文件（button_drv.h）
这里主要注册button_operations结构体，并声明注册函数。
/*定义宏--防止头文件被重复包含*/
#ifndef _BUTTON_DRV_H
#define _BUTTON_DRV_H
struct button_operations {
int count;
void (*init) (int which);
int (*read) (int which);
};
void register_button_operations(struct button_operations *opr);
void unregister_button_operations(void);
#endif3.2 驱动程序（button_drv.c）
这里主体实现分配/配置/注册file_operations结构体。具体驱动程序步骤见代码：
/* 说明：
*1，本代码是跟学韦老师课程所编，增加了注释和理解
*2，采用的是UTF-8编码格式
*3，button_drv.c
*/
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/signal.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/skbuff.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/capi.h>
#include <linux/kernelcapi.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include "button_drv.h"
/*第一步：确定主设备号，这里由内核分配*/
static int major = 0;
static struct button_operations *p_button_opr;
static struct class *button_class;
/*
*函数： button_open
*功能：
①从inode获取次设备号minor
②调用初始化函数
*传入参数：
*flie：要打开的文件
*返回参数：如果成功返回0
*
*/
static int button_open (struct inode *inode, struct file *file)
{
int minor = iminor(inode);
p_button_opr->init(minor);
return 0;
}
/*
*函数： button_read
*功能： copy_to_user，将数据读到app中
*传入参数：
*flie：要读的文件
*buf： 读的数据放入buf
*size：读多大的数据
*off：偏移值
*返回参数：如果成功就返回1
*/
static ssize_t button_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *off)
{
unsigned int minor = iminor(file_inode(file));
char level;
int err;
level = p_button_opr->read(minor);
err = copy_to_user(buf, &level, 1);
return 1;
}
/*第二步：定义自己的file_operations结构体*/
static struct file_operations button_fops = {
.open = button_open,
.read = button_read,
};
/*
*注册函数： register_button_operations
*功能： 调用结构体，创建设备节点
*/
void register_button_operations(struct button_operations *opr)
{
int i;
p_button_opr = opr;
for (i = 0; i < opr->count; i++)
{
device_create(button_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "100ask_button%d", i);
}
}
void unregister_button_operations(void)
{
int i;
for (i = 0; i < p_button_opr->count; i++)
{
device_destroy(button_class, MKDEV(major, i));
}
}
EXPORT_SYMBOL(register_button_operations);
EXPORT_SYMBOL(unregister_button_operations);
/*第三步：定义一个入口函数，调用register_chrdev*/
/*
*函数： button_init
*差异点： 有多个次设备号
*功能： ①注册主设备号
②辅助完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create
*/
int button_init(void)
{
major = register_chrdev(0, "100ask_button", &button_fops);
button_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_button");
if (IS_ERR(button_class))
return -1;
return 0;
}
/*第四步：定义一个出口函数，调用register_chrdev*/
void button_exit(void)
{
class_destroy(button_class);
unregister_chrdev(major, "100ask_button");
}
module_init(button_init);
module_exit(button_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");3.3 驱动程序（button_100ask_imx6ull.c）
根据imx6ull pro开发板的gpio硬件数据手册编写。
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/io.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 <asm/io.h>
#include "button_drv.h"
/*查询数据手册*/
struct iomux {
volatile unsigned int unnames[23];
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00; /* offset 0x5c */
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO01;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO02;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO04;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO05;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO06;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO07;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO08;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO09;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_TX_DATA;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_RX_DATA;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_CTS_B;
};
struct imx6ull_gpio {
volatile unsigned int dr;
volatile unsigned int gdir;
volatile unsigned int psr;
volatile unsigned int icr1;
volatile unsigned int icr2;
volatile unsigned int imr;
volatile unsigned int isr;
volatile unsigned int edge_sel;
};
/* enable GPIO4 */
static volatile unsigned int *CCM_CCGR3;
/* enable GPIO5 */
static volatile unsigned int *CCM_CCGR1;
/* set GPIO5_IO03 as GPIO */
static volatile unsigned int *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER1;
/* set GPIO4_IO14 as GPIO */
static volatile unsigned int *IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_NAND_CE1_B;
static struct iomux *iomux;
static struct imx6ull_gpio *gpio4;
static struct imx6ull_gpio *gpio5;
/*
*函数： board_imx6ull_button_init
*功能 使能GPIO模块、设置GPIO5-01和GPIO04-14（GPIO模式、方向）
*/
static void board_imx6ull_button_init (int which) /* 初始化button, which-哪个button */
{
if (!CCM_CCGR1)
{
CCM_CCGR1 = ioremap(0x20C406C, 4);
CCM_CCGR3 = ioremap(0x20C4074, 4);
IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER1 = ioremap(0x229000C, 4);
IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_NAND_CE1_B = ioremap(0x20E01B0, 4);
iomux = ioremap(0x20e0000, sizeof(struct iomux));
gpio4 = ioremap(0x020A8000, sizeof(struct imx6ull_gpio));
gpio5 = ioremap(0x20AC000, sizeof(struct imx6ull_gpio));
}
if (which == 0)
{
/* 1. enable GPIO5
* CG15, b[31:30] = 0b11
*/
*CCM_CCGR1 |= (3<<30);
/* 2. set GPIO5_IO01 as GPIO
* MUX_MODE, b[3:0] = 0b101
*/
*IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER1 = 5;
/* 3. set GPIO5_IO01 as input
* GPIO5 GDIR, b[1] = 0b0
*/
gpio5->gdir &= ~(1<<1);
}
else if(which == 1)
{
/* 1. enable GPIO4
* CG6, b[13:12] = 0b11
*/
*CCM_CCGR3 |= (3<<12);
/* 2. set GPIO4_IO14 as GPIO
* MUX_MODE, b[3:0] = 0b101
*/
IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_NAND_CE1_B = 5;
/* 3. set GPIO4_IO14 as input
* GPIO4 GDIR, b[14] = 0b0
*/
gpio4->gdir &= ~(1<<14);
}
}
/*
*函数： board_imx6ull_button_read
*功能 读取寄存器
*/
static int board_imx6ull_button_read (int which) /* 读button, which-哪个 */
{
//printk("%s %s line %d, button %d, 0x%x\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, *GPIO1_DATAIN);
if (which == 0)
return (gpio5->psr & (1<<1)) ? 1 : 0;
else
return (gpio4->psr & (1<<14)) ? 1 : 0;
}
//两个按键
static struct button_operations my_buttons_ops = {
.count = 2,
.init = board_imx6ull_button_init,
.read = board_imx6ull_button_read,
};
int board_imx6ull_button_drv_init(void)
{
register_button_operations(&my_buttons_ops);
return 0;
}
void board_imx6ull_button_drv_exit(void)
{
unregister_button_operations();
}
module_init(board_imx6ull_button_drv_init);
module_exit(board_imx6ull_button_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
3.4 Makefile文件
适用于imx6ull pro开发板内核。
# 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=arm
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
# 2.3 PATH, 比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/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_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88
all:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
$(CROSS_COMPILE)gcc -o button_test button_test.c
clean:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
rm -rf modules.order
rm -f ledtest
# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o
obj-m += button_drv.o
obj-m += board_100ask_imx6ull.o
3.5 应用程序（button_test.c）
这里的实现，为简单的查询方式。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/*
* ./button_test /dev/100ask_button0
*
*/
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
char val;
/* 1. 判断参数 */
if (argc != 2)
{
printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
return -1;
}
/* 2. 打开文件 */
fd = open(argv[1], O_RDWR);
if (fd == -1)
{
printf("can not open file %s\n", argv[1]);
return -1;
}
/* 3. 写文件 */
read(fd, &val, 1);
printf("get button : %d\n", val);
close(fd);
return 0;
}
3.6 运行测试
3.6.1 首先编译内核（如果没编译过）
参照这篇文章【Linux】imx6ull开发板第一个驱动实验（led）_希希雾里的博客-CSDN博客
3.6.2 设置交叉编译工具链（Ubuntu）
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin3.6.3 编译（Ubuntu）
make编译后，将.ko文件和 led_test_simple复制到nfs挂载的文件夹下。
make
cp *.ko button_test ~/nfs_rootfs/3.6.4 上机测试（开发板）
mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt
//复制到开发板上
cp /mnt/button_drv.ko ./
cp /mnt/board_100ask_imx6ull.ko ./
cp /mnt/button_test ./
//安装驱动模块
insmod button_drv.ko
insmod board_100ask_imx6ull.ko
//查询是否有我们的设备节点
ls /dev/100*//读取
./button_test /dev/100ask_button0读取按键结果：
