设备驱动概述(2)
成于坚持，败于止步
Linux 设备驱动
设备的分类及特点
计算机系统的硬件主要由 CPU、存储器和外设组成。随着 IC 制造工艺的发展，目前，芯片的集成度越来越高，往往在 CPU 内部就集成了存储器和外设适配器。ARM、PowerPC、MIPS 等处理器都集成了 UART、I2C 控制器、USB 控制器、SDRAM 控制器等，有的处理器还集成了片内 RAM 和 Flash。
驱动针对的对象是存储器和外设（包括 CPU 内部集成的存储器和外设），而不是针对 CPU 核。Linux 将存储器和外设分为 3 个基础大类：
字符设备；
块设备；
网络设备。
字符设备指那些必须以串行顺序依次进行访问的设备，如触摸屏、磁带驱动器、鼠标等。块设备可以用任意顺序进行访问，以块为单位进行操作，如硬盘、软驱等。
字符设备不经过系统的快速缓冲，而块设备经过系统的快速缓冲。但是，字符设备和块设备并没有明显的界限，如 Flash 设备符合块设备的特点，但是我们仍然可以把它作为一个字符设备来访问。
字符设备和块设备的驱动设计呈现出很大的差异，但是对于用户而言，他们都使用文件系统的操作接口 open()、close()、read()、write()等函数进行访问。
在 Linux 系统中，网络设备面向数据包的接收和发送而设计，它并不对应于文件系统的节点。内核与网络设备的通信和内核与字符设备、块设备的通信方式完全不同。 另外，TTY 驱动、I2C 驱动、USB 驱动、PCI 驱动、LCD 驱动等本身大体可归纳入 3 个基础大类，但是对于这些复杂的设备，Linux 系统还定义了独特的驱动体系结构。
Linux 设备驱动与整个软硬件系统的关系
如图 1.5 所示，除网络设备外，字符设备与块设备都被映射到 Linux 文件系统的文件和目录，通过文件系统的系统调用接口 open()、write()、read()、close()等函数即可访问字符设备和块设备。所有的字符设备和块设备都被统一地呈现给用户。块设备比字符设备复杂，在它上面会首先建立一个磁盘/Flash文件系统，如 FAT、Ext3、YAFFS、JFFS 等。FAT、Ext3、YAFFS、JFFS 规范了文件和目录在存储介质上的组织。
应用程序可以使用 Linux 的系统调用接口编程，也可以使用 C 库函数，出于代码可移植性的考虑，后者更值得推荐。C 库函数本身也通过系统调用接口而实现，如库函数中的 fopen()、fwrite()、fread()、fclose()分别会调用操作系统 API 的 open()、write()、read()、close()函数。
设备驱动的 Hello World：LED 驱动
无操作系统时的 LED 驱动
在嵌入式系统的设计中，LED 一般直接由 CPU 的 GPIO（通用可编程 I/O 口）控制。GPIO 一般由两组寄存器控制，即一组控制寄存器和一组数据寄存器。控制寄存器可设置 GPIO 口的工作方式为输入或输出。当引脚被设置为输出时，向数据寄存器的对应位写入 1 和 0 会分别在引脚上产生高电平和低电平；当引脚设置为输入时，读取数据寄存器的对应位可获得引脚上相应的电平信号。
在本例子中，我们屏蔽具体 CPU 的差异，假设在 GPIO_REG_CTRL 物理地址处的控制寄存器处的第 n 位写入 1 可设置 GPIO 为输出，在 GPIO_REG_DATA 物理地址处的数据寄存器的第 n 位写入 1 或 0 可在引脚上产生高或低电平，则在无操作系统的情况下，设备驱动代码如下：
1 #define reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL))
2 #define reg_gpio_data *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_DATA))
3 /初始化 LED/
4 void LightInit(void)
5 {
6 reg_gpio_ctrl |= (1 << n); /设置 GPIO 为输出/
7 }
8
9 /点亮 LED/
10 void LightOn(void)
11 {
12 reg_gpio_data |= (1 << n); /在 GPIO 上输出高电平/
13 }
14
15 /熄灭 LED/
16 void LightOff(void)
17 {
18 reg_gpio_data &= ~(1 << n); /在 GPIO 上输出低电平/
19 }
上述程序中的 LightInit()、LightOn()、LightOff()等函数都将作为 LED 驱动提供给应用程序的外部接口函数。程序中 ToVirtual()等函数的作用是当系统启动了硬件 MMU之后，根据物理地址和虚拟地址的映射关系，将寄存器的物理地址转化为虚拟地址。
Linux 系统下的 LED 驱动
在 Linux 操作系统下编写 LED 设备的驱动时，操作硬件的 LightInit()、LightOn()、LightOff()这些函数仍然需要，但是，需要遵循 Linux 编程的命名习惯，重新将其命名为 light_init()、light_on()、light_off()。这些函数将被 LED 驱动中独立于设备的针对内核的接口进行调用，代码如下给出了 Linux 系统下的 LED 驱动，现在读者并不需要能读懂这些代码。
1 #include …/包含内核中的多个头文件/
2
3 /设备结构体/
4 struct light_dev
5 {
6 struct cdev cdev; /字符设备 cdev 结构体/
7 unsigned char value; /LED 亮时为 1，熄灭时为 0，用户可读写此值/
8 };
9
10 struct light_dev *light_devp;
11 int light_major = LIGHT_MAJOR;
12
13 MODULE_AUTHOR(“Song Baohua”);
14 MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL”);
15
16 /打开和关闭函数/
17 int light_open(struct inode *inode, struct file *filp)
18 {
19 struct light_dev dev;
20 / 获得设备结构体指针 /
21 dev = container_of(inode->i_cdev, struct light_dev, cdev);
22 / 让设备结构体作为设备的私有信息 */
23 filp->private_data = dev;
24 return 0;
25 }
26 int light_release(struct inode *inode, struct file *filp)
27 {
28 return 0;
29 }
30
31 /*写设备:可以不需要 */
32 ssize_t light_read(struct file *filp, char _ _user buf, size_t count,
33 loff_tf_pos)
34 {
35 struct light_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体 */
36
37 if (copy_to_user(buf, &(dev->value), 1))
38 {
39 return - EFAULT;
40 }
41 return 1;
42 }
43
44 ssize_t light_write(struct file *filp, const char _ _user *buf, size_t count,
45 loff_t *f_pos)
46 {
47 struct light_dev dev = filp->private_data;
48
49 if (copy_from_user(&(dev->value), buf, 1))
50 {
51 return - EFAULT;
52 }
53 /根据写入的值点亮和熄灭 LED/
54 if (dev->value == 1)
55 light_on();
56 else
57 light_off();
58
59 return 1;
60 }
61
62 / ioctl 函数 */
63 int light_ioctl(struct inode *inode, struct file filp, unsigned int cmd,
64 unsigned long arg)
65 {
66 struct light_dev dev = filp->private_data;
67
68 switch (cmd)
69 {
70 case LIGHT_ON:
71 dev->value = 1;
72 light_on();
73 break;
74 case LIGHT_OFF:
75 dev->value = 0;
76 light_off();
77 break;
78 default:
79 / 不能支持的命令 /
80 return - ENOTTY;
81 }
82
83 return 0;
84 }
85
86 struct file_operations light_fops =
87 {
88 .owner = THIS_MODULE,
89 .read = light_read,
90 .write = light_write,
91 .ioctl = light_ioctl,
92 .open = light_open,
93 .release = light_release,
94 };
95
96 /设置字符设备 cdev 结构体/
97 static void light_setup_cdev(struct light_dev dev, int index)
98 {
99 int err, devno = MKDEV(light_major, index);
100
101 cdev_init(&dev->cdev, &light_fops);
102 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
103 dev->cdev.ops = &light_fops;
104 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
105 if (err)
106 printk(KERN_NOTICE “Error %d adding LED%d”, err, index);
107 }
108
109 /模块加载函数/
110 int light_init(void)
111 {
112 int result;
113 dev_t dev = MKDEV(light_major, 0);
114
115 / 申请字符设备号/
116 if (light_major)
117 result = register_chrdev_region(dev, 1, “LED”);
118 else
119 {
120 result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, “LED”);
121 light_major = MAJOR(dev);
122 }
123 if (result < 0)
124 return result;
125
126 / 分配设备结构体的内存 */
127 light_devp = kmalloc(sizeof(struct light_dev), GFP_KERNEL);
128 if (!light_devp) /分配失败/
129 {
130 result = - ENOMEM;
131 goto fail_malloc;
132 }
133 memset(light_devp, 0, sizeof(struct light_dev));
134 light_setup_cdev(light_devp, 0);
135 light_init();
136 return 0;
137
138 fail_malloc: unregister_chrdev_region(dev, light_devp);
139 return result;
140 }
141
142 /模块卸载函数/
143 void light_cleanup(void)
144 {
145 cdev_del(&light_devp->cdev); /删除字符设备结构体/
146 kfree(light_devp); /释放在 light_init 中分配的内存/
147 unregister_chrdev_region(MKDEV(light_major, 0), 1); /删除字符设备/
148 }
149
150 module_init(light_init);
151 module_exit(light_cleanup);
有操作系统的code相对于没有操作系统的code，包含了大量读者陌生的元素，如结构体file_operations 、 cdev ， Linux 内 核 模 块 声 明 用 的 MODULE_AUTHOR 、 MODULE_LICENSE、module_init、module_exit，以及用于字符设备注册、分配和注销用的函数 register_chrdev_region()、alloc_chrdev_region()、unregister_chrdev_region()等。此外设驱动中也增加了 light_init ()、light_cleanup ()、light_read()、light_write()等这样的函数。
此时，我们只需要有一个感性认识，那就是，上述元素都是 Linux 驱动与内核的接口。Linux 对各类设备的驱动都定义了类似的数据结构和函数。
就到这里了，O(∩_∩)O~
我的专栏地址：http://blog.csdn.net/column/details/linux-driver-note.html
待续。。。。
作者：Ela–学海无涯
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/xinyuwuxian/article/details/9271899
版权声明：本文为博主原创文章，转载请附上博文链接！