Linux驱动开发初识

Linux驱动开发初识

一、驱动的概念

1.1 什么是驱动：

Linux内核驱动：是指一段代码，这段代码可以驱动底层硬件，即驱动就是对底层硬件设备的操作进行封装，并向上层提供函数接口。

1.2 驱动的分类：

Linux驱动分为三个基础大类：字符设备驱动，块设备驱动，网络设备驱动。

• 字符设备(Char Device)：

1. 字符设备是个能够像字节流（类似文件）一样被访问的设备
2. 对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O操作一般紧接着发生
3. 字符设备驱动程序通常至少要实现open、close、read和write系统调用
4. 比如我们常见的lcd、触摸屏、键盘、led、串口等等，他们一般对应具体的硬件都是进行出具的采集、处理、传输

• 块设备(Block Device)：

1. 一个块设备驱动程序主要通过传输固定大小的数据（一般为512或1k）来访问设备
2. 块设备通过buffer cache(内存缓冲区)访问，可以随机存取，即：任何块都可以读写，不必考虑它在设备的什么地方
3. 块设备可以通过它们的设备特殊文件访问，但是更常见的是通过文件系统进行访问
4. 只有一个块设备可以支持一个安装的文件系统
5. 比如我们常见的电脑硬盘、SD卡、U盘、光盘等

• 网络设备(Net Device)：

1. 任何网络事务都经过一个网络接口形成，即一个能够和其他主机交换数据的设备
2. 访问网络接口的方法仍然是给它们分配一个唯一的名字（比如eth0），但这个名字在文件系统中不存在对应的节点
3. 内核和网络设备驱动程序间的通信，完全不同于内核和字符以及块驱动程序之间的通信，内核调用一套和数据包传输相关的函（socket函数）而不是read、write等
4. 比如我们常见的网卡设备、蓝牙设备

二、设备的概念

• 在学习驱动和其开发之前，首先要知道所谓驱动，其对象就是设备。

2.1 主设备号&次设备号：

在Linux中，各种设备都以文件的形式存在**/dev目录下**，称为设备文件。最上层的应用程序可以打开，关闭，读写这些设备文件，从而完成对设备的操作。

为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备都拥有主设备号和次设备号。主设备号用于区分不同种类的设备，而次设备号用于区分同一类型的多个设备。（对于常用的设备如硬盘，Linux赋予的主设备号一般是3）

• 在**/dev目录下输入ls -l**，就可以看到设备文件对应的主次设备号：

2.2 设备号的作用：

在了解了什么是主次设备号之后，就要了解设备号的用处：

• 在用户态中：当用户调用了如open, read, write等函数想要操作设备文件时，需要两个参数，第一个是文件名，第二个就是设备号
• 在内核态中：存在着一个驱动链表，用于管理所有设备的驱动，而驱动在链表中的位置就由设备号来检索

三、设备驱动整体调用过程

3.1 上层用户操控设备的流程：

1. C语言上层调用open函数。open(“/dev/pin4”,O_RDWR);调用/dev下的pin4以可读可写的方式打开。对于上层open调用到内核时会发生一次软中断中断号是0X80，从用户空间进入到内核空间。

2. open会调用到system_call(内核函数)，system_call会根据/dev/pin4设备名，去找出需要的设备号。

3. 再调到虚拟文件VFS ,调用VFS里的sys_open，sys_open会找到在驱动链表里面，根据主设备号和次设备号找到引脚4里的open函数，引脚4里的open是对寄存器操作及对硬件的操作。

3.2 Linux驱动的运行方式：

1. 将驱动编译进 Linux 内核中，当 Linux 内核启动的时就会自动运行驱动程序
2. 将驱动编译成模块（Linux 下模块扩展名为.ko），并在Linux 内核启动以后使用相应命令加载驱动模块

四、基于框架编写驱动代码

4.1 基本字符设备驱动框架：

#include <linux/fs.h>		            //file_operations声明
#include <linux/module.h>               //module_init  module_exit声明
#include <linux/init.h>                 //__init  __exit 宏定义声明
#include <linux/device.h>	            //class  devise声明
#include <linux/uaccess.h>              //copy_from_user 的头文件
#include <linux/types.h>                //设备号  dev_t 类型声明
#include <asm/io.h>                     //ioremap iounmap的头文件static struct class *pin4_class;        //类对象
static struct device *pin4_class_dev;   //设备对象static dev_t devno;                     //设备号
static int major =231;  		        //主设备号
static int minor =0;			        //次设备号
static char *module_name="pin4";        //模块名//_open函数
static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("pin4_open\n");              //内核的打印函数和printf类似return 0;
}//_write函数
static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{printk("pin4_write\n");             //内核的打印函数和printf类似return 0;
}static struct file_operations pin4_fops = { //结构体的类型是“file_operations”，名字可以自定义
//该结构体的成员就包含实现open和write的驱动函数
//当上层用户想要open或者write这个设备时，就会最终跳转到这个驱动代码中实现的open和write操作函数
//此处只赋值了该结构体中的三个成员变量（在keil中是不能这样写的，linux中可以），这个结构体其实有很多成员，如果想要实现更多的驱动函数，可以把更多的该结构体成员赋值并在这段代码中重写.owner = THIS_MODULE,.open  = pin4_open,.write = pin4_write,
};int __init pin4_drv_init(void)              //真实驱动入口
{int ret;devno = MKDEV(major,minor);             //创建设备号ret   = register_chrdev(major, module_name, &pin4_fops);  //注册驱动，告诉内核：把这个驱动加入到内核驱动的链表中//以下两句代码目的是“生成设备文件”，也可以通过“mknod”命令手动生成，但是一般不会这样做pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo"); //先创建‘类’pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name); //再创建‘设备’return 0;
}void __exit pin4_drv_exit(void)
{device_destroy(pin4_class,devno); //先销毁‘设备’class_destroy(pin4_class); //在销毁‘类’unregister_chrdev(major, module_name);  //卸载驱动
}module_init(pin4_drv_init);  //入口，内核加载驱动的时候，这个宏会被调用
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");    //linux内核遵循GPL协议

4.2 驱动代码的编译：

• 进入Linux源码树目录下的驱动目录，因为驱动的是字符设备，所以进入的是驱动目录下的char目录。/home/shiyahao/SYSTEM/linux-rpi-4.19.y/drivers/char

• 在这个路径下创建一个新的C文件：pin4driver.c，内容为我们刚刚的字符设备驱动：

• 修改当前路径（字符设备驱动）下的Makefile，确保这个新的驱动会被编译到：

• 回到linux内核源码的路径，运行以下指令尝试编译：

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make modules

• 将编译好的驱动模块传到树莓派中：

scp ./drivers/char/pin4driver.ko pi@192.168.31.123:/home/pi

4.3 驱动的加载&卸载：

由于现在刚刚把驱动编译成了.ko的模块，所以需要运行以下指令来加载驱动模块：

sudo insmod pin4driver.ko		//加载驱动模块
sudo rmmod  pin4driver.ko 		//卸载驱动模块，此时驱动名字后不用加".ko"

运行成功后，就可以在**/dev**下看到生成的设备文件“pin4”了：

使用ls -l指令查看这个设备的主设备号&次设备号，和框架代码中的设置一样：

给pin驱动加权限：

sudo chmod 666 /dev/pin4

4.4 驱动的测试：

在树莓派下写一个测试驱动的C代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd;fd = open("/dev/pin4", O_RDWR);                 //打开GPIO4口设备文件if(fd < 0){printf("open pin4 failed\n");}else{printf("open pin4 success\n");}write(fd, "1", 1);                              //输出高电平return 0;
}

执行测试程序后用dmesg 查看内核打印信息发现打印了驱动函数的信息：

可见内核也按照框架代码中的printk成功打印了信息！驱动测试成功！

同时，结果也再次印证了：当用户在最上层对 驱动文件 调用C库的open函数后，最后的结果还是调用最底层 驱动文件里实现的open驱动函数

五、树莓派IO口驱动的编写

​ 前面我们通过一个基本的字符设备驱动框架来测试了驱动的运行，但是在“pin4_open”和“pin4_write”这两个驱动函数的函数体里只写了一句内核打印的代码，作为一个真正的驱动文件这显然是不够的。

​ 同时，在之前就提到过，驱动位于内核态的最底层，其下方就直接是硬件，所以驱动函数的目标就是直接操控硬件，也就是直接操控寄存器。在我的pin4驱动函数中应该添加的也就是根据函数功能，操作寄存器从而实现I/O口操控的代码。

5.1 BCM2835芯片手册导读：

明确了目标后，就产生了这个问题：我怎么知道应该使用哪些寄存器，又应该怎么使用呢？

答案是：根据开发平台的芯片手册/电路图来找到具体的描述，由于我是在树莓派3B上玩驱动的开发，所以我应该查阅这款树莓派的芯片，也就是BCM2835的芯片手册。

此处我只使用了芯片手册就定位了寄存器，而没有用电路图，原因是树莓派的这个芯片手册已经把用什么寄存器写的很清楚了

在BCM2835芯片手册的第六章描述了General Purpose I/O (GPIO)外设相关寄存器。这里驱动pin4引脚需要用到的寄存器有：

1. GPIO Function Select Registers (GPFSELn) 功能选择寄存器：

   

   该寄存器共有五组，每个寄存器都有32位，以GPIO Alternate function select register 0为例，其中：
   29-0位 ：每三位对于一个引脚，比如29-27对应的是GPIO Pin 9,26-24对应的是GPIO Pin 8，且这三位取不同的值代表该三位对应的引脚选择不同的功能。比如，当29-27位为000时表示GPIO Pin 9是输入功能，29-27位为001时表示GPIO Pin 9是输出的功能。

2. GPIO Pin Output Set Registers (GPSETn) 置位寄存器：

   

   该寄存器共两组，每个寄存器都有32位，将寄存器某一位置1即将对应的引脚置1。

3. GPIO Pin Output Clear Registers (GPCLRn) 清0寄存器：

   与置位寄存器用法一至，将对应位数引脚置0。

4. 所需寄存器的地址说明：

​ 在编写驱动程序时，IO空间的起始地址位0X3F000000，加上GPIO的偏移量0X200000，因此GPIO的物理地址是从0X3F200000开始的，而编程所需的地址是虚拟地址，需要通过MMU内存虚拟化管理将地址映射到虚拟地址上。

5.2 Pin4引脚定位：

Pin4引脚指的是BCM4号，对应WiringPi库第7号，物理引脚的7脚：

5.3 根据驱动框架编写树莓派Pin4引脚驱动：

#include <linux/fs.h>		 //file_operations声明
#include <linux/module.h>    //module_init  module_exit声明
#include <linux/init.h>      //__init  __exit 宏定义声明
#include <linux/device.h>    //class  devise声明
#include <linux/uaccess.h>   //copy_from_user 的头文件
#include <linux/types.h>     //设备号  dev_t 类型声明
#include <asm/io.h>          //ioremap iounmap的头文件static struct class *pin4_class;  
static struct device *pin4_class_dev;static dev_t devno;                //设备号
static int major =231;             //主设备号
static int minor =0;               //次设备号
static char *module_name="pin4";   //模块名//首先定义所要用的寄存器，为了防止地址被编译器优化需要用到volatile关键字
volatile unsigned int *GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int *GPSET0 = NULL;
volatile unsigned int *GPCLR0 = NULL;static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("pin4_open\n");  //内核的打印函数和printf类似//配置引脚4的寄存器，将其配置为输出模式,即将GPFSEL0寄存器的第14-12位配置成001*GPFSEL0 &= 0XFFFF9FFF;  //将第14,13位置0*GPFSEL0 |= 0X00001000; //将第12位置1return 0;
}static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{int usercmd;printk("pin4_write\n");copy_from_user(&usercmd,buf,count);//获取应用层write函数写入的内容if(usercmd == 1){printk("set 1\n");*GPSET0 |=(0x1 << 4); //将Pin4引脚置1}else if (usercmd == 0){printk("set 0\n");*GPCLR0 |=(0X1 << 4);//将Pin4引脚置0}else{printk("undo\n");}return 0;
}static struct file_operations pin4_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open  = pin4_open,//当应用层调用open函数时，内核会调用pin4_open..write = pin4_write,//当应用层调用write函数时，内核会调用pin4_write.
};int __init pin4_drv_init(void)  //真实的驱动入口
{int ret;devno = MKDEV(major,minor);  //创建设备号ret   = register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops);  //注册驱动  告诉内核，把这个驱动加入到内核驱动的链表中pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");//由代码在dev下自动生成设备pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);  //创建设备文件GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0X3f200000,4);//需要将物理地址映射位虚拟地址 ipremap第一个参数需要被映射的物理地址。第二个参数位映射的字节数GPSET0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0X3f20001C,4);//通过芯片手册可以看到该寄存器在基础地址上偏移了1CGPCLR0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0X3f200028,4);//通过芯片手册可以看到该寄存器在基础地址上偏移了28return 0;
}void __exit pin4_drv_exit(void)
{iounmap(GPFSEL0);iounmap(GPSET0);iounmap(GPCLR0);device_destroy(pin4_class,devno);class_destroy(pin4_class);unregister_chrdev(major, module_name);  //卸载驱动
}module_init(pin4_drv_init);  //入口
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

然后在树莓派上编写测试代码：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char const *argv[])
{int fd,cmd;fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);printf("input 0 ro 1 , 0 :Pin4 Set 0,1:Pin4 Set 1\n");scanf("%d",&cmd);printf("cmd = %d \n",cmd);write(fd,&cmd,1);return 0;
}

5.4 编译测试Pin4引脚驱动：

• 将驱动代码编译后生成驱动模块放置在树莓派上进行测试：

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make modules

• 将生成的驱动模块拷贝至树莓派：

scp ./drivers/char/pin4driver.ko pi@192.168.31.123:/home/pi

• 在树莓派上安装驱动并给驱动权限：

sudo insmod pin4driver.ko
sudo chmod 666 /dev/pin4

运行测试程序：