【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
• 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：0x0000

  GPIO27_22_INT：
  
  偏移地址：0x0060

• I/O边沿状态寄存器

  GPIO21_00_EDGE：
  
  偏移地址：0x0004

  GPIO27_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：0x0008

  GPIO27_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：0x000C

  GPIO27_22_FENA：
  
  偏移地址：0x006C

• I/O数据寄存器

  GPIO21_00_DATA：
  
  偏移地址：0x0020

  GPIO27_22_DATA：
  
  偏移地址：0x0070

• I/O方向寄存器

  GPIO21_00_DIR：
  
  偏移地址：0x0024

  GPIO27_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.mkinclude $(INCLUDE_DIR)/kernel.mkPKG_NAME:=myledsPKG_RELEASE:=1include $(INCLUDE_DIR)/package.mkdefine KernelPackage/myleds    SUBMENU:=Other modules    #DEPENDS:=@!LINUX_3_3    TITLE:=My led driver    FILES:=$(PKG_BUILD_DIR)/myleds.ko    #AUTOLOAD:=$(call AutoLoad, 30, myleds, 1)endefdefine KernelPackage/myleds/description    This is a leds control driverendefMAKE_OPTS:= \    ARCH="$(LINUX_KARCH)"  \    CROSS_COMPILE="$(TARGET_CROSS)" \    SUBDIRS="$(PKG_BUILD_DIR)"define Build/Prepare    mkdir -p $(PKG_BUILD_DIR)    $(CP) ./src/* $(PKG_BUILD_DIR)/endefdefine Build/Compile    $(MAKE) -C "$(LINUX_DIR)"\    $(MAKE_OPTS)             \    modulesendef$(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 0x08int 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 = gccCFLAGS = -WallOBJS = app_led.oall: 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.mkPKG_NAME:=app_ledPKG_RELEASE:=1PKG_BUILD_DIR := $(BUILD_DIR)/$(PKG_NAME)include $(INCLUDE_DIR)/package.mkdefine Package/app_led    SECTION:=utils    CATEGORY:=Utilities    TITLE:=Frame buffer device testing tool    DEPENDS:=+libncursesendefdefine Build/Prepare    mkdir -p $(PKG_BUILD_DIR)    $(CP) ./src/* $(PKG_BUILD_DIR)/endefdefine Build/ConfigureendefTARGET_LDFLAGS :=define Build/Compile    $(MAKE) -C $(PKG_BUILD_DIR) \        CC="$(TARGET_CC)" \        CFLAGS="$(TARGET_CFLAGS) -Wall" \        LDFLAGS="$(TARGET_LDFLAGS)"endefdefine 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。