【笔记】Linux驱动学习第三章
作者：Exculivor
日期：2015年06月29日
前面我们学习了如何写简单的驱动以及简单的测试软件。
今天我们来正式的写一个能够使用的简单驱动以及对应的测试软件。
注：目标平台为RT5350，使用Linux 3.18.16内核，OpenWrt版本r46104。其他平台的方法大同小异，可以按照步骤结合相应的数据手册、原理图以及配套平台进行。
-
-
本次学习内容
-
设备驱动开发
- 第一步 了解硬件特点及操作方法
-
LED发光以及控制原理
-
RT5350的IO口控制方法
- 第二步 寻找相似驱动模板修改或者自行编写
-
一 设备操作函数编写
-
二 设备初始化
-
完整代码
-
Makefile
- 第三步 编写测试程序测试驱动
-
测试程序
-
Makefile
-
小结
-
本次学习内容
- 设备驱动开发
- 小结
设备驱动开发
开始之前我们学回顾一下开发设备驱动的一般步骤：
- 查看原理图、数据手册，了解设备的操作方法。
- 在内核中找到相近的驱动程序，以它为模板进行开发，有时候需要从零开始。
- 实现驱动程序的初始化：比如向内核注册这个驱动程序，这样应用程序传入文件名时，内核才能找到相应的驱动程序。
- 设计所要实现的操作，比如open、close、read、write等函数。
- 实现中断服务（中断并不是每个设备驱动所必须的）。
- 编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载。
- 测试驱动程序。
下面我们简化这个步骤来写一个硬件学习中的“Hello World”——LED驱动！
第一步 了解硬件特点及操作方法
LED发光以及控制原理
LED，即发光二极管。是一种通过PN结电子与空穴复合时释放辐射发出可见光为发光原理的电子器件。其本质就是一种特殊的二极管 。
因此LED在电路中的符号通常表示如下：
当LED正向偏置，即正极（图中引脚1）电位高于负极（图中引脚2）电位时，电流从正极流向负极，LED便可发光。当然，要点亮不同的LED，需要考虑不同LED的特点，选择合适的电压电流，这样LED才能正常工作。
在下使用的开发板给出了原理图，其中LED的连接关系如下：
以LED1为例，当LED1正极即GPIO#7为高电平（根据RT5350的数据手册可知其I/O口电压为3.3V）时，LED1可正向导通，电流流过LED1，LED1点亮。
而当GPIO#7一端为低电平（0V）时，LED1两端电位相同，LED1此时关断，没有正向电流流过。因此LED1熄灭。
因此，我们可以根据上述原理，通过控制RT5350的IO口——GPIO#7的电平来控制LED1的亮灭。
同理，其他三个LED也是如此。
RT5350的I/O口控制方法
通过阅读RT5350的数据手册我们可以知道其I/O口特点：
I/O Features
下面贴出I/O口的方框图：
Block Diagram
RT5350的I/O口都是多功能复用的，我们可以通过控制SYSCFG和GPIOMODE两个寄存器来控制这些引脚的功能：
RT5350_GPIO_Share_Scheme
我们使用的GPIO7~GPIO10是和UARTF引脚复用的。根据下面这张表：
UART_Pin_Share_Scheme
可以确定我们将要使用到的方案。
此次我们只需要使用GPIO7、GPIO8、GPIO9、GPIO10四个I/O口，没有用到UARTF的功能。因此通过查表可以知晓我们可以通过在相应寄存器中写入二进制100或者111数据来实现。
接下来我们来分析I/O口功能设置的相关寄存器：
- I/O模式寄存器
GPIOMODE ：
基地址：0x1000_0000
偏移地址：0x0060
以下I/O口的设置相关寄存器基地址 为：0x1000_0600
- I/O中断状态寄存器
GPIO21_00_INT ：
偏移地址：0x0000GPIO27_22_INT：
偏移地址：0x0060
- I/O边沿状态寄存器
GPIO21_00_EDGE：
偏移地址：0x0004GPIO27_22_EDGE：
偏移地址：0x0064
- I/O上升沿中断使能寄存器
GPIO21_00_RENA：
偏移地址：0x0008GPIO27_22_RENA：
偏移地址：0x0068
- I/O下降沿中断使能寄存器
GPIO21_00_FENA：
偏移地址：0x000CGPIO27_22_FENA：
偏移地址：0x006C
- I/O数据寄存器
GPIO21_00_DATA：
偏移地址：0x0020GPIO27_22_DATA：
偏移地址：0x0070
- I/O方向寄存器
GPIO21_00_DIR：
偏移地址：0x0024GPIO27_22_DIR：
偏移地址：0x0074
另外还有几个不常用寄存器，有需要可以查看数据手册。
首先，要点亮这几个LED，我们确定了要使用GPIO7~10。因此需要通过GPIOMODE寄存器设置引脚模式工作在GPIO模式。
而点亮LED我们并不需要从I/O口读取数据，只需要输出高低电平即0或者1就可以了。所以我们需要GPIO21_00_DIR这个寄存器来设置I/O方向为输出。
设置完方向，我们需要对I/O口进行数据写入，才能控制其输出的电平高低，因此我们还需要设置GPIO21_00_DATA寄存器。
因此只需要设置这三个寄存器，就可以完成对这四个LED的完全控制了。
第二步 寻找相似驱动模板修改或者自行编写
在学习阶段，我们当然是自己来写了。下面我们便正式开始编写驱动。
上一章我们了解了驱动程序的一般框架，下面我们套用这个框架来编写这次的LED驱动。
一 设备操作函数编写
让我们想想这个LED设备初始化需要进行哪些操作。
首先从硬件方面考虑，我们需要操作三个寄存器，所以我们需要定义几个变量来控制寄存器：
volatile unsigned long *GPIOMODE;
volatile unsigned long *GPIO21_00_DIR;
volatile unsigned long *GPIO21_00_DATA;因为寄存器是需要经常读写的，为了防止编译器编译的时候把数值优化掉，我们需要使用volatile修饰符。
接下来，考虑可能用到的硬件操作。
第一个肯定是open没错了，而且我们要求设备在open的时候完成初始化：
static int myleds_open( struct inode *inode, struct file *file )
{
*GPIOMODE |= ( ( 1<<4 )|( 1<<3 )|( 1<<2 ) );
*GPIO21_00_DIR |= ( ( 1<<7 )|( 1<<8 )|( 1<<9 )|(1<<10) );
return 0;
}通过设置GPIOMODE的第2、3、4位为111来使引脚功能变为GPIO。
通过设置GPIO21_00_DIR的7、8、9、10位为1来确定相应引脚为输出功能。
接下来我们写一个函数用于控制I/O口输出高低电平驱动LED。首先为了方便记忆，我们给每个LED控制指令一个宏定义：
#define LED1_ON 0x11
#define LED1_OFF 0x01
#define LED2_ON 0x22
#define LED2_OFF 0x02
#define LED3_ON 0x44
#define LED3_OFF 0x04
#define LED4_ON 0x88
#define LED4_OFF 0x08为了实现LED驱动程序的灵活性 ，我们除了需要让用户能够单独控制每个LED之外，还应做到多个LED控制之间不受影响。因此，我们设计了上述控制指令。
指令的低四位标识将要控制的LED对象，高四位标识所要执行的LED的动作：
| Bits | Name | Description |
|---|---|---|
| 7 | LED4ACT | LED4动作。0：熄灭；1：点亮 |
| 6 | LED3ACT | LED3动作。0：熄灭；1：点亮 |
| 5 | LED2ACT | LED2动作。0：熄灭；1：点亮 |
| 4 | LED1ACT | LED1动作。0：熄灭；1：点亮 |
| 3 | LED4SEL | 选中LED4 |
| 2 | LED3SEL | 选中LED3 |
| 1 | LED2SEL | 选中LED2 |
| 0 | LED1SEL | 选中LED1 |
控制函数我们使用的是ioctl函数，而不是write函数：
static long myleds_unlocked_ioctl( struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg )
{
int count,temp;
temp = cmd;
for( count=0; count<4; count++ )
{
if( temp&0x01 )
{
if( temp&0x10 )
{
*GPIO21_00_DATA |= ( 1<<( count+7 ) );
}
else
{
*GPIO21_00_DATA &= ~( 1<<( count+7 ) );
}
}
temp = ( temp&0xEE )>>1;
}
return 0;
}二者的区别，《Linux设备驱动程序》给出了如下描述：
除了读取和写入设备之外，大部分驱动程序还需要另外一种能力，即通过设备驱动程序执行各种类型的硬件控制。简单的数据传输之外，大部分设备可以执行其他一些操作，比如控制设备锁门、弹出介质、报告错误信息、改变波特率或者执行自破坏等。这些操作通常通过ioctl方法支持。
而在kernel 2.6.36 中已经完全删除了struct file_operations 中的ioctl 函数指针，取而代之的是unlocked_ioctl。至于其中区别，我们在以后的学习中再做介绍。此处先了解怎么使用。
这两个函数写完，LED所有基础操作就都能通过它们完成了。但是我们还必须让内核知道这个设备的存在，才能通过内核控制它。
二 设备初始化
首先设备号是必须的：
int major;接下来是关联操作设备的函数的file_operations结构体：
static struct file_operations myleds_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = myleds_open,
.unlocked_ioctl = myleds_unlocked_ioctl,
};open操作使用我们刚才编写的myleds_open函数。
unlocked_ioctl操作使用myleds_unlocked_ioctl函数。
接下来我们就可以注册设备了：
major = register_chrdev( 0, "myleds", &myleds_fops );register_chrdev函数：
int register_chardev (unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);我们上一章介绍过，它的三个参数：
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| major | 主设备号，该值为 0 时，自动运行分配。 |
| name | 设备名。 |
| fops | file_operations 结构体变量地址(指针)。 |
函数的返回值：
major 值为 0时：正常注册后返回分配的主设备号。如果分配失败，返回 EBUSY 的负值 ( -EBUSY ) 。major 值若大于255，则返回EINVAL 的负值 (-EINVAL) 。
major值不为0时：正常注册后返回 0 值。若有注册的设备，返回 EBUSY 的负值 (-EBUSY)。
这里我们动态注册主设备号，注册设备名为“myleds”，fops结构体使用刚才写的myleds_fops。
在这些做完之后我们就可以来创建设备节点了：
首先定义此设备的设备类：
static struct class *myleds_class;并且为结构体初始化：
myleds_class = class_create( THIS_MODULE, "myleds" );最后创建设备节点：
device_create( myleds_class, NULL, MKDEV( major, 0 ), NULL, "myleds" );函数中用到的三个参数一个是刚才创建的class指针，一个是dev_t类型的设备编号，最后一个是设备名。
但是刚才我们定义的设备号是int型的，所以我们需要使用MKDEV函数来转换。此函数第一个参数是主设备号，第二个参数是次设备号。成功的返回值是dev_t类型的设备编号。
写到这里设备就已经在内核中注册完毕了，设备节点也已经创建，可以从/dev下查看了。
但是到这里还没有完，我们需要将IO地址空间映射到内核的虚拟地址空间上去，以便应用程序控制：
GPIOMODE=(volatile unsigned long *)ioremap(0x10000060, 4);
GPIO21_00_DIR=(volatile unsigned long *)ioremap(0x10000624,4);
GPIO21_00_DATA=(volatile unsigned long *)ioremap(0x10000620,4);但是别忘了我们还需要一个退出函数来处理退出设备的操作：
static void __exit myleds_exit( void )
{
unregister_chrdev( major, "myleds" );
device_destroy( myleds_class, MKDEV( major, 0 ) );
class_destroy( myleds_class );
iounmap( GPIOMODE );
iounmap( GPIO21_00_DIR );
iounmap( GPIO21_00_DATA );
}完整代码：
#include <linux/mm.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/mman.h>
#include <linux/random.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/raw.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/capability.h>
#include <linux/ptrace.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/highmem.h>
#include <linux/crash_dump.h>
#include <linux/backing-dev.h>
#include <linux/bootmem.h>
#include <linux/splice.h>
#include <linux/pfn.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/aio.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <asm/uaccess.h>
//==================== 宏定义LED操作 ===================//
#define LED1_ON 0x11
#define LED1_OFF 0x01
#define LED2_ON 0x22
#define LED2_OFF 0x02
#define LED3_ON 0x44
#define LED3_OFF 0x04
#define LED4_ON 0x88
#define LED4_OFF 0x08
//======================================================//
//====================== 定义寄存器 =====================//
volatile unsigned long *GPIOMODE;
volatile unsigned long *GPIO21_00_DIR;
volatile unsigned long *GPIO21_00_DATA;
//======================================================//
//====================== 定义设备类 =====================//
static struct class *myleds_class;
//======================================================//
//====================== 设备open ======================//
static int myleds_open( struct inode *inode, struct file *file )
{
*GPIOMODE |= ( ( 1<<4 )|( 1<<3 )|( 1<<2 ) );
*GPIO21_00_DIR |= ( ( 1<<7 )|( 1<<8 )|( 1<<9 )|(1<<10) );
return 0;
}
//======================================================//
//====================== 设备操作 =======================//
static long myleds_unlocked_ioctl( struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg )
{
int count,temp;
temp = cmd;
for( count=0; count<4; count++ )
{
//判断LED对象
if( temp&0x01 )
{
if( temp&0x10 )
{
*GPIO21_00_DATA |= ( 1<<( count+7 ) ); //点亮相应led
}
else
{
*GPIO21_00_DATA &= ~( 1<<( count+7 ) ); //熄灭相应led
}
}
temp = ( temp&0xEE )>>1;
}
return 0;
}
//======================================================//
//================== fops结构初始化 ====================//
static struct file_operations myleds_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = myleds_open,
.unlocked_ioctl = myleds_unlocked_ioctl,
};
//======================================================//
//===================== 主设备号 =======================//
int major;
//======================================================//
//===================== 设备初始化 =====================//
static int __init myleds_init( void )
{
major = register_chrdev( 0, "myleds", &myleds_fops );
myleds_class = class_create( THIS_MODULE, "myleds" );
device_create( myleds_class, NULL, MKDEV( major, 0 ), NULL, "myleds" );
GPIOMODE = ( volatile unsigned long * )ioremap( 0x10000060, 4 );
GPIO21_00_DIR = ( volatile unsigned long * )ioremap( 0x10000624, 4 );
GPIO21_00_DATA = ( volatile unsigned long * )ioremap( 0x10000620, 4 );
return 0;
}
//======================================================//
//===================== 设备退出 =======================//
static void __exit myleds_exit( void )
{
unregister_chrdev( major, "myleds" );
device_destroy( myleds_class, MKDEV( major, 0 ) );
class_destroy( myleds_class );
iounmap( GPIOMODE );
iounmap( GPIO21_00_DIR );
iounmap( GPIO21_00_DATA );
}
//======================================================//
module_init( myleds_init );
module_exit( myleds_exit );
MODULE_LICENSE("GPL");Makefile
./myleds/src目录下Makefile只有一句话：
obj-m += myleds.o./myleds目录下Makefile：
include $(TOPDIR)/rules.mk
include $(INCLUDE_DIR)/kernel.mk
PKG_NAME:=myleds
PKG_RELEASE:=1
include $(INCLUDE_DIR)/package.mk
define KernelPackage/myleds
SUBMENU:=Other modules
#DEPENDS:=@!LINUX_3_3
TITLE:=My led driver
FILES:=$(PKG_BUILD_DIR)/myleds.ko
#AUTOLOAD:=$(call AutoLoad, 30, myleds, 1)
endef
define KernelPackage/myleds/description
This is a leds control driver
endef
MAKE_OPTS:= \
ARCH="$(LINUX_KARCH)" \
CROSS_COMPILE="$(TARGET_CROSS)" \
SUBDIRS="$(PKG_BUILD_DIR)"
define Build/Prepare
mkdir -p $(PKG_BUILD_DIR)
$(CP) ./src/* $(PKG_BUILD_DIR)/
endef
define Build/Compile
$(MAKE) -C "$(LINUX_DIR)"\
$(MAKE_OPTS) \
modules
endef
$(eval $(call KernelPackage,myleds))第三步 编写测试程序测试驱动
测试程序
测试程序就不多讲了，代码如下：
在./myleds/src目录下新建app_led.c：
#include <stdio.h>
#include <curses.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <string.h>
#define LED1_ON 0x11
#define LED1_OFF 0x01
#define LED2_ON 0x22
#define LED2_OFF 0x02
#define LED3_ON 0x44
#define LED3_OFF 0x04
#define LED4_ON 0x88
#define LED4_OFF 0x08
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
int count;
if (argc != 3)
{
printf("示例：<dev> ledn <on|off>\n");
return 0;
}
/* 1.打开设备节点 */
fd = open("/dev/myleds", O_RDWR | O_NONBLOCK);
if (fd < 0)
{
printf("can't open!\n");
return -1;
}
/* 2.根据参数不同，控制LEDs */
if(!strcmp("led1", argv[1]))
{
if (!strcmp("on", argv[2]))
{
// 亮灯
ioctl(fd, LED1_ON);
}
else if (!strcmp("off", argv[2]))
{
// 灭灯
ioctl(fd, LED1_OFF);
}
else
{
printf("示例：<dev> ledn <on|off>\n");
return 0;
}
}
else if(!strcmp("led2", argv[1]))
{
if (!strcmp("on", argv[2]))
{
// 亮灯
ioctl(fd, LED2_ON);
}
else if (!strcmp("off", argv[2]))
{
// 灭灯
ioctl(fd, LED2_OFF);
}
else
{
printf("示例：<dev> ledn <on|off>\n");
return 0;
}
}
else if(!strcmp("led3", argv[1]))
{
if (!strcmp("on", argv[2]))
{
// 亮灯
ioctl(fd, LED3_ON);
}
else if (!strcmp("off", argv[2]))
{
// 灭灯
ioctl(fd, LED3_OFF);
}
else
{
printf("示例：<dev> ledn <on|off>\n");
return 0;
}
}
else if(!strcmp("led4", argv[1]))
{
if (!strcmp("on", argv[2]))
{
// 亮灯
ioctl(fd, LED4_ON);
}
else if (!strcmp("off", argv[2]))
{
// 灭灯
ioctl(fd, LED4_OFF);
}
else
{
printf("示例：<dev> ledn <on|off>\n");
return 0;
}
}
else if(!strcmp("led", argv[1]))
{
if (!strcmp("flash", argv[2]))
{
for(count=0; count<10; count++)
{
// 亮灯
ioctl(fd, LED1_ON|LED2_ON|LED3_ON|LED4_ON);
usleep(500000);
ioctl(fd, LED1_OFF|LED2_OFF|LED3_OFF|LED4_OFF);
usleep(500000);
}
}
else
{
printf("示例：<dev> ledn <on|off>\n");
return 0;
}
}
else
{
printf("示例：<dev> ledn <on|off>\n");
return 0;
}
return 0;
}测试函数包含单独的LED控制和LED混合控制。
Makefile
同目录下Makefile如下：
CC = gcc
CFLAGS = -Wall
OBJS = app_led.o
all: app_led
%.o: %.c
$(CC) $(CFLAGS) -c -o $@ $< $(LDFLAGS)
fbtest: $(OBJS)
$(CC) -o $@ $(OBJS) $(LDFLAGS)
clean:
rm -f rbcfg *.o在./myleds目录下另建Makefile：
#
# Copyright (C) 2012 OpenWrt.org
#
# This is free software, licensed under the GNU General Public License v2.
# See /LICENSE for more information.
#
include $(TOPDIR)/rules.mk
PKG_NAME:=app_led
PKG_RELEASE:=1
PKG_BUILD_DIR := $(BUILD_DIR)/$(PKG_NAME)
include $(INCLUDE_DIR)/package.mk
define Package/app_led
SECTION:=utils
CATEGORY:=Utilities
TITLE:=Frame buffer device testing tool
DEPENDS:=+libncurses
endef
define Build/Prepare
mkdir -p $(PKG_BUILD_DIR)
$(CP) ./src/* $(PKG_BUILD_DIR)/
endef
define Build/Configure
endef
TARGET_LDFLAGS :=
define Build/Compile
$(MAKE) -C $(PKG_BUILD_DIR) \
CC="$(TARGET_CC)" \
CFLAGS="$(TARGET_CFLAGS) -Wall" \
LDFLAGS="$(TARGET_LDFLAGS)"
endef
define Package/app_led/install
$(INSTALL_DIR) $(1)/usr/sbin
$(INSTALL_BIN) $(PKG_BUILD_DIR)/app_led $(1)/usr/sbin/
endef
$(eval $(call BuildPackage,app_led))小结
通过这几天的学习，初步掌握了驱动程序开发的步骤。但这些只是粗浅的知识，就和编程语言的HelloWorld一样，只是开始。
接下来将进入实战阶段，目标是开发一款一体机控制器。平台使用RT5350，使用I2C芯片PCF8574T进行I/O扩展，使用WM8978进行音频解码和混音，这也将使用到I2S接口。同时因为UART接口的紧张，还需要动态切换控制台和普通串口。所以接下来任务很重。希望能进展顺利吧。