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嵌入式Linux学习笔记(三) 字符型设备驱动--LED的驱动开发

心的起始 人气:1

  在成功构建了一个能够运行在开发板平台的系统后,下一步就要正式开始应用的开发(这里前提是有一定的C语言基础,对ARM体系的软/硬件,这部分有疑问可能要参考其它教程),根据需求仔细分解任务,可以发现包含的外设有LED,BEEP,RS232,六轴传感(SPI接口),光环境传感器(I2C),音频输出, RTC等,如果按照这个顺序去实现驱动,一定程度其实又回归最初的模块学习的策略,不过既然是从应用的角度,先实现应用框架,来验证是否符合预期,这比测试模块驱动的更重要,也更容易有产出感。 按照这个需求,就可以先把实际工作分解为如下几个步骤:

  1.完成LED驱动,能够正常控制LED的点亮和关闭(本节完成)

  2.完成RS232的驱动,能够实现串口的通讯

  3.定义一套上位机、下位机之间的通讯协议(也可以使用主流工业协议如Modbus), 并在上位机和下位机编码实现通讯协议的组包和解包

  4.实现一套界面化的上位机工具,带有调试功能和控制功能

  既然初步的工作已经清晰,就可以开始第一步的工作,完成LED的驱动。

参考资料

  1. 开发板原理图 《IMX6UL_ALPHA_V2.0(底板原理图)》 《IMX6ULL_CORE_V1.4(核心板原理图)》 

  2. 正点原子《Linux驱动开发指南说明V1.0》 第四十章 字符驱动设备开发

  3. 宋宝华 《Linux设备驱动开发详解:基于最新的Linux 4.0内核》 第六章 字符驱动设备

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

LED硬件配置实现

  首先当然要确定原理图,下图来自底板和核心板原理图。

  通过追踪就可以查看当前使用LED的引脚为GPIO1_IO3。

  确定硬件后,第一步就是配置GPIO需要使用的寄存器了,对于使用过单片机的用户来说,对于GPIO这类外设,一般包含以下步骤:

  1. 使能模块时钟

  2. 配置模块或者相关模块的寄存器,使模块复用到需要的功能

  3. 提供对外访问的接口

  对于嵌入式Linux来说,这部分也没有区别,硬件初始化接口(具体寄存器可使用《IMX6ULL参考手册》查询)

 1 /**
 2  * LED硬件初始化,引脚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);     //时钟使能 
14     SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E0068, 4);   //复用功能设置
15     SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E02F4, 4);   //设置PAD的输出状态
16     GPIO1_DR = ioremap(0X0209C000, 4);            //设置LED输出
17     GPIO1_GDIR = ioremap(0X0209C004, 4);          //设置GPIO的状态
18 
19     /*2.时钟使能*/
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.复用功能设置*/
27     writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
28 
29     /*4.引脚IO功能设置*/
30     writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
31 
32     /*5.引脚输出功能配置*/
33     value = readl(GPIO1_GDIR);
34     value |= (1 << 3);    /* 设置新值 */
35     writel(value, GPIO1_GDIR); 
36 
37     /*5.关闭LED显示,高电平关闭*/
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 }

  硬件资源释放.

 1 /**
 2  * 释放硬件资源
 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 }

  硬件设备管理

 1 /**
 2  *LED灯开关切换
 3  * 
 4  * @param status  LED开关状态,1开启,0关闭
 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,我们就实现了和硬件执行的接口

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

嵌入式内核模块实现

  嵌入式内核模块的参考本系列的第一篇文件,主要提供加载到Linux内核,用于insmod和rmmod访问的接口,这部分因为已经讲过,如果希望理解就去看第一节内容,或者参考上面提供的资料。

  Linux加载的接口:

 1 /**
 2  * 驱动入口函数
 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     //此处添加设备注册的实现
11     //......
12 }
13 module_init(led_module_init); 

  Linux释放的接口:

 1 /**
 2  * 驱动释放函数
 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    //此处添加设备注销的实现
11    //......    
12 }
13 module_exit(led_module_exit);

  此外,在添加驱动说明,如作者,许可证和驱动说明等

1 MODULE_AUTHOR("zc");                          //模块作者
2 MODULE_LICENSE("GPL v2");                     //模块许可协议
3 MODULE_DESCRIPTION("led driver");             //模块许描述
4 MODULE_ALIAS("led_driver");                   //模块别名

  至此本节的准备工作全部完成,下面就开始完成总线上设备的创建,这也是本章最核心的特征。

设备创建和释放

  设备创建如果按照固定的结构,使用起来虽然有些困难,如果按照官方流程来实现,是有迹可循的。但是如何从应用层的访问接口open,read,write,close到底层驱动的xxx_open, xxx_read, xxx_write, xxxx_close的调用,这部分的理解在整个驱动机制的重要部分,这部分的难度当然不是一次可以讲清楚的,这里先抛砖引玉,在后面驱动的实践中会步步深入去理解。

  作为熟悉C语言知识的开发者来说,可以很清楚open这一类接口是用来访问文件的,而在Linux中,字符型设备和块设备就体现了"一切都是文件"的思想,参考《Linux设备驱动开发详解:基于最新的Linux 4.0内核》第5章的说明,

通关VFS(virtual Filesytem), 将上层接口操作https://img.qb5200.com/download-x/dev/*下的设备文件,最后访问到驱动内部注册的实际操作硬件的接口。

 

想理解这部分知识,就需要理解应用层接口做了什么工作,参考这篇文章,https://www.jianshu.com/p/f3f5a33f2c59,以open为例。

open函数,这里可以简述步骤(下面所有实现在linux/fs/namei.c文件中)

1.获取一个可用的id,用于外部的记录,如fd

2.根据name名称如"https://img.qb5200.com/download-x/dev/led"获取file指针信息,包含设备的实际信息

3.将fd与file关联起来,后续就可以通关fd直接访问file指针的内容(设备端信息指针file),至此我们就获取设备端的信息

4.创建inode类型的数据nd,这部分就是VFS中链接到真正驱动的位置信息,其中包含的cdev *i_cdev即是和设备相关的指针,至于这部分如何链接到实际设备,等后续深入了解后在详细了解。

5.file和nd的链接则依靠file->f_path.mnt和nd->path.mnt配置相等实现

到达这一步,当然还远远不够,但目前只是初步入门,先不过度深入,下面开始驱动编写。其中在module_init中主要完成注册流程,module_exit中完成释放流程,此外还要实现访问LED的接口,具体如下:

  1.访问LED的硬件接口链接

  1 /**
  2  * 获取LED资源
  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  * 释放LED设备资源
 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  * 从LED设备读取数据
 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设备写入数据
 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     /*利用数据操作LED*/
 65     led_switch(databuf[0]);
 66     return 0;
 67 }
 68 
 69 /**
 70  * light从设备读取状态
 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 /* 设备操作函数 */
 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.创建设备,添加到设备总线上,这里要提到知识点,

  对于一个设备的基本id,由主设备号和子设备号组成,其中主设备就是挂载在/prochttps://img.qb5200.com/download-x/devices下的设备总线上,如果设备已经存在,则可以用register_chdev_region直接生成设备信息,则需要使用alloc_chrdev_region申请新的设备信息。

  在获取设备信息结构后,可通过cdev_init将cdev,设备号以及上面的硬件操作接口函数链接起来。

  最后通过cdev_add将设备信息挂载到设备总线上,这时通过cat /prochttps://img.qb5200.com/download-x/devices就可以查看设备是否添加成功。

 1     int result;
 2 
 3     led_driver_info.major = DEFAULT_MAJOR;
 4     led_driver_info.minor = DEFAULT_MINOR;
 5 
 6     /*在总线上创建设备*/    
 7     /*1.申请字符设备号*/
 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.添加设备到相应总线上*/
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https://img.qb5200.com/download-x/dev/下根据设备号创建设备节点,用于应用上层接口的访问,这部分和mknod https://img.qb5200.com/download-x/dev/led c 主设备号 从设备号功能一致,理论使用指令也可,具体如下。

 1 /* 4、创建类 */
 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、创建设备 */
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,创建设备并添加到设备总线的流程实现完毕,这就是module_init中需要的所有实现。

2.释放模块

  在上面我们创建设备,占用了系统资源,在卸载模块的时候,这些都要全部释放,不然就会造成内存的泄露,具体如下。

 1 /**
 2  * 驱动释放函数
 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     /* 注销字符设备驱动 */
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     /*硬件资源释放*/
18     led_gpio_release();
19 }
20 module_exit(led_module_exit);

测试代码实现  

  在上面驱动代码就已经实现,但对于应用来说,实现驱动并不是结束,我们还要完成测试单元,但驱动的有效性进行测试,这部分因为并不是严格的工业化项目,所以只做简单的测试,代码如下

 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  * 测试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("https://img.qb5200.com/download-x/dev/led", O_RDWR | O_NDELAY);
20     if(fd == -1)
21     {
22         printf("https://img.qb5200.com/download-x/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实现

  Makefile的语法也是嵌入式Linux开发中重要知识,如果没有对bash语法有深刻的认识,且理解编译原理的那部分知识,这部分其实也十分困难,这也不是三两句可以说清楚的,等积累一段时间后专门用笔记讲解这部分内容,初步能大致看懂,修改会编译就够了。

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

  保存为Makefile后,使用make指令,就可以编译生成需要的led.ko文件,此外通过

  arm-linux-gnueabihf-gcc -o led_test led_test.c也可以生成我们需要的测试文件。

文件上传和执行

  可通过sd卡,ssh或者nfs系统,将上述文件添加到上章编译完成的系统中,

  执行insmod /usrhttps://img.qb5200.com/download-x/driver/led.ko将驱动加载

  执行lsmod查询当前加载的驱动

  通过./usr/app/led_test 1或者./usr/app/led_test 0控制LED的点亮和关闭,现象如下:

  

总结

  至此,关于LED的驱动开发基本讲解完成,虽然开发参考了部分例程用了不到2个小时,但完成这篇文档用了4个小时,为了能够将知识可以解决出来,去查询书籍,以及去查看内核代码,但是这是值得的,我感觉对驱动有了更深刻的认知,但我认为这是值得的,下节将开始Uart驱动的编写实现,整个流程算走上了正轨,不过我本身还要工作,这是因为五一才有这种效率更新,不过我已经制定了计划,希望能够顺利的去学习吧。

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