前言
很久没有认真写一篇博客了，刚好最近学习了Linux字符设备驱动，好记性不如烂笔头，当然是要抓紧记下来，在开始之前安利一位师弟写的几篇博客，写得很不错。本文主要来自正点原子、野火Linux教程及本人理解，若有侵权请及时联系本人删除。
从单片机到ARM Linux驱动——Linux驱动入门篇
Linux字符设备驱动开发（2）——让开发板上的灯闪烁
正文
Linux内核是怎么设计字符设备
结合前两篇文章，我这里讲的就比较简洁，下图是字符设备的整体框图。将其分为三步。
第一步：填充并保存硬件接口
这一步就是驱动文件所实现的，以原子LED驱动为例，第一步主要完成通过操作寄存器填充硬件接口，然后通过cdev_init函数保存接口file_operation到cdev中，通过cdev_add函数，根据哈希函数保存cdev到probes哈希表中，方便内核查找file_operation使用。而这两个函数下面代码register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops) 已经帮我们都完成了，详情参考Linux源码。
下图说明了Linux使用一张哈希表（数组+链表）来管理设备号。
talk is cheap, show you the code
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#define LED_MAJOR 200 /* 主设备号 */
#define LED_NAME "led" /* 设备名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 */
/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE (0X020C406C)
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE (0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE (0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE (0X0209C004)
/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;
/*
* @description : LED打开/关闭
* @param - sta : LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
* @return : 无
*/
void led_switch(u8 sta)
{
u32 val = 0;
if(sta == LEDON) {
val = readl(GPIO1_DR);
val &= ~(1 << 3);
writel(val, GPIO1_DR);
}else if(sta == LEDOFF) {
val = readl(GPIO1_DR);
val|= (1 << 3);
writel(val, GPIO1_DR);
}
}
/*
* @description : 打开设备
* @param - inode : 传递给驱动的inode
* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsigned char databuf[1];
unsigned char ledstat;
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if(retvalue < 0) {
printk("kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
if(ledstat == LEDON) {
led_switch(LEDON); /* 打开LED灯 */
} else if(ledstat == LEDOFF) {
led_switch(LEDOFF); /* 关闭LED灯 */
}
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations led_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_open,
.read = led_read,
.write = led_write,
.release = led_release,
};
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init led_init(void)
{
int retvalue = 0;
u32 val = 0;
/* 初始化LED */
/* 1、寄存器地址映射 */
IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);
/* 2、使能GPIO1时钟 */
val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
val &= ~(3 << 26); /* 清楚以前的设置 */
val |= (3 << 26); /* 设置新值 */
writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);
/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
* GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
*/
writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性
*bit 16:0 HYS关闭
*bit [15:14]: 00 默认下拉
*bit [13]: 0 kepper功能
*bit [12]: 1 pull/keeper使能
*bit [11]: 0 关闭开路输出
*bit [7:6]: 10 速度100Mhz
*bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
*bit [0]: 0 低转换率
*/
writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
val = readl(GPIO1_GDIR);
val &= ~(1 << 3); /* 清除以前的设置 */
val |= (1 << 3); /* 设置为输出 */
writel(val, GPIO1_GDIR);
/* 5、默认关闭LED */
val = readl(GPIO1_DR);
val |= (1 << 3);
writel(val, GPIO1_DR);
/* 6、注册字符设备驱动 */
retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
if(retvalue < 0){
printk("register chrdev failed!\r\n");
return -EIO;
}
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit led_exit(void)
{
/* 取消映射 */
iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
iounmap(GPIO1_DR);
iounmap(GPIO1_GDIR);
/* 注销字符设备驱动 */
unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("mu-xin");
通过Makefile编译，make后生成名为“led.ko”的驱动模块文件，使用insmod命令加载模块，到此完成第一步
第二步：创建设备文件(节点)
第二步使用mknod命令创建设备文件(节点)。接下来我们就可以在用户态操作这个文件(节点)，比如向此设备文件(节点)写入数据。
注意inode上的file_operation并不是自己构造的file_operation，而是字符设备通用的def_chr_fops，那么自己构建的file_operation等在应用程序调用open函数之后，才会绑定在文件上。
第三步：用户空间编程
完成前两步我们就可以通过写APP文件，或者使用echo命令操作设备文件(节点)。
echo命令示例
sudo sh -c "echo on >/dev/xxx"
以原子APP函数为例，代码如下
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#define LEDOFF 0
#define LEDON 1
/*
* @description : main主程序
* @param - argc : argv数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retvalue,i;
char *filename;
unsigned char databuf[1];
if(argc != 3){
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
/* 打开led驱动 */
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
return -1;
}
databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭 */
/* 向/dev/led文件写入数据 */
for(i=0;i<10;i++)
{
retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
if(retvalue < 0){
printf("LED Control Failed!\r\n");
close(fd);
return -1;
}
sleep(1);
retvalue = write(fd, 0, sizeof(0));
if(retvalue < 0){
printf("LED Control Failed!\r\n");
close(fd);
return -1;
}
sleep(1);
}
retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */
if(retvalue < 0){
printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
return -1;
}
return 0;
}
当我们在用户空间调用open后发生了什么，在用户空间调用glibc库open函数后，系统由用户态进入内核态
- get_unused_fd_flags
- 为本次操作分配一个未使用过的文件描述符
- do_file_open
- 生成一个空白struct file结构体
- 从文件系统中查找到文件对应的inode
- do_dentry_open
static int do_dentry_open(struct file *f,
struct inode *inode,
int (*open)(struct inode *, struct file *))
{
...
/*把inode的i_fop赋值给struct file的f_op*/
f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
...
if (!open)
open = f->f_op->open;
if (open) {
error = open(inode, f);
if (error)
goto cleanup_all;
}
...
}
在do_dentry_open函数中调用下面的open函数
- def_chr_fops->chrdev_open
static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
const struct file_operations *fops;
struct cdev *p;
struct cdev *new = NULL;
...
struct kobject *kobj;
int idx;
/*从内核哈希表cdev_map中，根据设备号查找自己注册的sturct cdev，获取cdev中的file_operation接口*/
kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode>i_rdev,&idx);
new = container_of(kobj, struct cdev, kobj);
...
inode->i_cdev = p = new;
...
fops = fops_get(p->ops);
...
/*把cdev中的file_operation接口赋值给struct file的f_op*/
replace_fops(filp, fops);
/*调用自己实现的file_operation接口中的open函数*/
if (filp->f_op->open) {
ret = filp->f_op->open(inode, filp);
if (ret)
goto out_cdev_put;
}
...
}
总结
完成上面三步后就完成了LED字符设备的驱动编写，其他的字符设备可参考此驱动。
用户空间调用open函数后，最终会去inode（第二步）中找到file_operation接口并将其拷贝到进程的file_operation接口中，而inode（第二步）会去第一步中将file_operation接口拷贝到inode中，这样我们自己写的硬件接口就被内核使用了。切记glibc库的open函数和硬件接口open函数不是同一函数。
最后，本篇基于Linux早期内核（2.4之前），没有统一的设备驱动模型，后面介绍Linux内核2.6版本以后的设备驱动模型，即使用挂载在/sys目录下的sysfs。
详情请阅读：Linux字符设备驱动详解二（使用设备驱动模型）