嵌入式Linux學習筆記(三) 字符型設備驅動-LED的驅動開發

嵌入式Linux學習筆記(三) 字符型設備驅動–LED的驅動開發

2020 年 5 月 3 日
筆記
嵌入式Linux學習筆記

　　在成功構建了一個能夠運行在開發板平台的系統後，下一步就要正式開始應用的開發(這裡前提是有一定的C語言基礎，對ARM體系的軟/硬件，這部分有疑問可能要參考其它教程)，根據需求仔細分解任務，可以發現包含的外設有LED，BEEP，RS232，六軸傳感(SPI接口),光環境傳感器(I2C)，音頻輸出, RTC等，如果按照這個順序去實現驅動，一定程度其實又回歸最初的模塊學習的策略，不過既然是從應用的角度，先實現應用框架，來驗證是否符合預期，這比測試模塊驅動的更重要，也更容易有產出感。按照這個需求，就可以先把實際工作分解為如下幾個步驟:

　　1.完成LED驅動，能夠正常控制LED的點亮和關閉(本節完成)

　　2.完成RS232的驅動，能夠實現串口的通訊

　　3.定義一套上位機、下位機之間的通訊協議(也可以使用主流工業協議如Modbus), 並在上位機和下位機編碼實現通訊協議的組包和解包

　　4.實現一套界面化的上位機工具，帶有調試功能和控制功能

　　既然初步的工作已經清晰，就可以開始第一步的工作，完成LED的驅動。

參考資料

　　1. 開發板原理圖《IMX6UL_ALPHA_V2.0(底板原理圖)》《IMX6ULL_CORE_V1.4(核心板原理圖)》

　　2. 正點原子《Linux驅動開發指南說明V1.0》第四十章字符驅動設備開發

　　3. 宋寶華《Linux設備驅動開發詳解：基於最新的Linux 4.0內核》第六章字符驅動設備

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

LED硬件配置實現

　　首先當然要確定原理圖，下圖來自底板和核心板原理圖。

　　通過追蹤就可以查看當前使用LED的引腳為GPIO1_IO3。

　　確定硬件後，第一步就是配置GPIO需要使用的寄存器了，對於使用過單片機的用戶來說，對於GPIO這類外設，一般包含以下步驟：

　　1. 使能模塊時鐘

　　2. 配置模塊或者相關模塊的寄存器，使模塊復用到需要的功能

　　3. 提供對外訪問的接口

　　對於嵌入式Linux來說，這部分也沒有區別，硬件初始化接口(具體寄存器可使用《IMX6ULL參考手冊》查詢)

 1 /**
 2  * LED硬件初始化，引腳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);     //時鐘使能 
14     SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E0068, 4);   //復用功能設置
15     SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E02F4, 4);   //設置PAD的輸出狀態
16     GPIO1_DR = ioremap(0X0209C000, 4);            //設置LED輸出
17     GPIO1_GDIR = ioremap(0X0209C004, 4);          //設置GPIO的狀態
18 
19     /*2.時鐘使能*/
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.復用功能設置*/
27     writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
28 
29     /*4.引腳IO功能設置*/
30     writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
31 
32     /*5.引腳輸出功能配置*/
33     value = readl(GPIO1_GDIR);
34     value |= (1 << 3);    /* 設置新值 */
35     writel(value, GPIO1_GDIR); 
36 
37     /*5.關閉LED顯示，高電平關閉*/
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 }

　　硬件資源釋放.

 1 /**
 2  * 釋放硬件資源
 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 }

　　硬件設備管理

 1 /**
 2  *LED燈開關切換
 3  * 
 4  * @param status  LED開關狀態，1開啟，0關閉
 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，我們就實現了和硬件執行的接口

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

嵌入式內核模塊實現

　　嵌入式內核模塊的參考本系列的第一篇文件，主要提供加載到Linux內核，用於insmod和rmmod訪問的接口，這部分因為已經講過，如果希望理解就去看第一節內容，或者參考上面提供的資料。

　　Linux加載的接口:

 1 /**
 2  * 驅動入口函數
 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     //此處添加設備註冊的實現
11     //......
12 }
13 module_init(led_module_init);

　　Linux釋放的接口:

 1 /**
 2  * 驅動釋放函數
 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    //此處添加設備註銷的實現
11    //......    
12 }
13 module_exit(led_module_exit);

　　此外，在添加驅動說明，如作者，許可證和驅動說明等

1 MODULE_AUTHOR("zc");                          //模塊作者
2 MODULE_LICENSE("GPL v2");                     //模塊許可協議
3 MODULE_DESCRIPTION("led driver");             //模塊許描述
4 MODULE_ALIAS("led_driver");                   //模塊別名

　　至此本節的準備工作全部完成，下面就開始完成總線上設備的創建，這也是本章最核心的特徵。

設備創建和釋放

　　設備創建如果按照固定的結構，使用起來雖然有些困難，如果按照官方流程來實現，是有跡可循的。但是如何從應用層的訪問接口open，read，write，close到底層驅動的xxx_open, xxx_read, xxx_write, xxxx_close的調用，這部分的理解在整個驅動機制的重要部分，這部分的難度當然不是一次可以講清楚的，這裡先拋磚引玉，在後面驅動的實踐中會步步深入去理解。

　　作為熟悉C語言知識的開發者來說，可以很清楚open這一類接口是用來訪問文件的，而在Linux中，字符型設備和塊設備就體現了”一切都是文件”的思想，參考《Linux設備驅動開發詳解：基於最新的Linux 4.0內核》第5章的說明，

通關VFS(virtual Filesytem), 將上層接口操作/dev/*下的設備文件，最後訪問到驅動內部註冊的實際操作硬件的接口。

想理解這部分知識，就需要理解應用層接口做了什麼工作，參考這篇文章，//www.jianshu.com/p/f3f5a33f2c59，以open為例。

open函數,這裡可以簡述步驟（下面所有實現在linux/fs/namei.c文件中)

1.獲取一個可用的id，用於外部的記錄，如fd

2.根據name名稱如”/dev/led”獲取file指針信息，包含設備的實際信息

3.將fd與file關聯起來，後續就可以通關fd直接訪問file指針的內容(設備端信息指針file)，至此我們就獲取設備端的信息

4.創建inode類型的數據nd，這部分就是VFS中鏈接到真正驅動的位置信息，其中包含的cdev *i_cdev即是和設備相關的指針，至於這部分如何鏈接到實際設備，等後續深入了解後在詳細了解。

5.file和nd的鏈接則依靠file->f_path.mnt和nd->path.mnt配置相等實現

到達這一步，當然還遠遠不夠，但目前只是初步入門，先不過度深入，下面開始驅動編寫。其中在module_init中主要完成註冊流程，module_exit中完成釋放流程，此外還要實現訪問LED的接口，具體如下:

　　1.訪問LED的硬件接口鏈接

  1 /**
  2  * 獲取LED資源
  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  * 釋放LED設備資源
 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  * 從LED設備讀取數據
 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設備寫入數據
 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     /*利用數據操作LED*/
 65     led_switch(databuf[0]);
 66     return 0;
 67 }
 68 
 69 /**
 70  * light從設備讀取狀態
 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 /* 設備操作函數 */
 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.創建設備，添加到設備總線上，這裡要提到知識點，

　　對於一個設備的基本id，由主設備號和子設備號組成，其中主設備就是掛載在/proc/devices下的設備總線上，如果設備已經存在，則可以用register_chdev_region直接生成設備信息，則需要使用alloc_chrdev_region申請新的設備信息。

　　在獲取設備信息結構後，可通過cdev_init將cdev，設備號以及上面的硬件操作接口函數鏈接起來。

　　最後通過cdev_add將設備信息掛載到設備總線上，這時通過cat /proc/devices就可以查看設備是否添加成功。

 1     int result;
 2 
 3     led_driver_info.major = DEFAULT_MAJOR;
 4     led_driver_info.minor = DEFAULT_MINOR;
 5 
 6     /*在總線上創建設備*/    
 7     /*1.申請字符設備號*/
 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.添加設備到相應總線上*/
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/下根據設備號創建設備節點，用於應用上層接口的訪問，這部分和mknod /dev/led c 主設備號從設備號功能一致，理論使用指令也可，具體如下。

 1 /* 4、創建類 */
 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、創建設備 */
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，創建設備並添加到設備總線的流程實現完畢，這就是module_init中需要的所有實現。

2.釋放模塊

　　在上面我們創建設備，佔用了系統資源，在卸載模塊的時候，這些都要全部釋放，不然就會造成內存的泄露，具體如下。

 1 /**
 2  * 驅動釋放函數
 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     /* 註銷字符設備驅動 */
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     /*硬件資源釋放*/
18     led_gpio_release();
19 }
20 module_exit(led_module_exit);

測試代碼實現　　

　　在上面驅動代碼就已經實現，但對於應用來說，實現驅動並不是結束，我們還要完成測試單元，但驅動的有效性進行測試，這部分因為並不是嚴格的工業化項目，所以只做簡單的測試，代碼如下

 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  * 測試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實現

　　Makefile的語法也是嵌入式Linux開發中重要知識，如果沒有對bash語法有深刻的認識，且理解編譯原理的那部分知識，這部分其實也十分困難，這也不是三兩句可以說清楚的，等積累一段時間後專門用筆記講解這部分內容，初步能大致看懂，修改會編譯就夠了。

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

　　保存為Makefile後，使用make指令，就可以編譯生成需要的led.ko文件，此外通過

　　arm-linux-gnueabihf-gcc -o led_test led_test.c也可以生成我們需要的測試文件。

文件上傳和執行

　可通過sd卡，ssh或者nfs系統，將上述文件添加到上章編譯完成的系統中，

　　執行insmod /usr/driver/led.ko將驅動加載

　　執行lsmod查詢當前加載的驅動

　　通過./usr/app/led_test 1或者./usr/app/led_test 0控制LED的點亮和關閉，現象如下:

總結

　　至此，關於LED的驅動開發基本講解完成，雖然開發參考了部分例程用了不到2個小時，但完成這篇文檔用了4個小時，為了能夠將知識可以解決出來，去查詢書籍，以及去查看內核代碼，但是這是值得的，我感覺對驅動有了更深刻的認知，但我認為這是值得的，下節將開始Uart驅動的編寫實現，整個流程算走上了正軌，不過我本身還要工作，這是因為五一才有這種效率更新，不過我已經制定了計劃，希望能夠順利的去學習吧。

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