本节书摘来自异步社区《Linux 设备驱动开发详解(第2版)》一书中的第1章,第1.6节,作者:宋宝华著,更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看
1.6 设备驱动Hello World:LED驱动
Linux 设备驱动开发详解(第2版)
1.6.1 无操作系统时的LED驱动
在嵌入式系统的设计中,LED一般直接由CPU的GPIO(通用可编程I/O口)控制。GPIO一般由两组寄存器控制,即一组控制寄存器和一组数据寄存器。控制寄存器可设置GPIO口的工作方式为输入或是输出。当引脚被设置为输出时,向数据寄存器的对应位写入1和0会分别在引脚上产生高电平和低电平;当引脚设置为输入时,读取数据寄存器的对应位可获得引脚上的电平为高或低。
在本例子中,我们屏蔽具体CPU的差异,假设在GPIO_REG_CTRL物理地址处的控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO为输出,在地址GPIO_REG_DATA物理地址处的数据寄存器的第n位写入1或0可在引脚上产生高或低电平,则无操作系统的情况下,设备驱动为代码清单1.3。
代码清单1.3 无操作系统时的LED驱动
1 #define reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL))
2 #define reg_gpio_data *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_DATA))
3 /*初始化LED*/
4 void LightInit(void)
5 {
6 reg_gpio_ctrl |= (1 << n); /*设置GPIO为输出*/
7 }
8
9 /*点亮LED*/
10 void LightOn(void)
11 {
12 reg_gpio_data |= (1 << n); /*在GPIO上输出高电平*/
13 }
14
15 /*熄灭LED*/
16 void LightOff(void)
17 {
18 reg_gpio_data &= ~(1 << n); /*在GPIO上输出低电平*/
19 }
上述程序中的LightInit()、LightOn()、LightOff()都直接作为驱动提供给应用程序的外部接口函数。程序中ToVirtual()的作用是当系统启动了硬件MMU之后,根据物理地址和虚拟地址的映射关系,将寄存器的物理地址转化为虚拟地址。
1.6.2 Linux下的LED驱动
在Linux下,可以使用字符设备驱动的框架来编写对应于代码清单1.3的LED设备驱动(这里仅仅是为了讲解的方便,到后文我们会发现,内核中实际实现了一个提供sysfs结点的GPIO LED驱动,位于drivers/leds/leds-gpio.c),操作硬件的LightInit()、LightOn()、LightOff()函数仍然需要,但是,遵循Linux编程的命名习惯,重新将其命名为light_init()、light_on()、light_off()。这些函数将被LED设备驱动中独立于设备的针对内核的接口进行调用,代码清单1.4给出了Linux下LED的驱动,此时读者并不需要能读懂这些代码。
代码清单1.4 Linux操作系统下LED的驱动
1 #include .../*包含内核中的多个头文件*/
2 /*设备结构体*/
3 struct light_dev {
4 struct cdev cdev; /*字符设备cdev结构体*/
5 unsigned char vaule; /*LED亮时为1,熄灭时为0,用户可读写此值*/
6 };
7 struct light_dev *light_devp;
8 int light_major = LIGHT_MAJOR;
9 MODULE_AUTHOR("Barry Song <21cnbao@gmail.com>");
10 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
11 /*打开和关闭函数*/
12 int light_open(struct inode *inode, struct file *filp)
13 {
14 struct light_dev *dev;
15 /* 获得设备结构体指针 */
16 dev = container_of(inode->i_cdev, struct light_dev, cdev);
17 /* 让设备结构体作为设备的私有信息 */
18 filp->private_data = dev;
19 return 0;
20 }
21 int light_release(struct inode *inode, struct file *filp)
22 {
23 return 0;
24 }
25 /*读写设备:可以不需要 */
26 ssize_t light_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count,
27 loff_t *f_pos)
28 {
29 struct light_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体 */
30 if (copy_to_user(buf, &(dev->value), 1))
31 return -EFAULT;
32 return 1;
33 }
34 ssize_t light_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,
35 loff_t *f_pos)
36 {
37 struct light_dev *dev = filp->private_data;
38 if (copy_from_user(&(dev->value), buf, 1))
39 return -EFAULT;
40 /*根据写入的值点亮和熄灭LED*/
41 if (dev->value == 1)
42 light_on();
43 else
44 light_off();
45 return 1;
46 }
47 /* ioctl函数 */
48 int light_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd,
49 unsigned long arg)
50 {
51 struct light_dev *dev = filp->private_data;
52 switch (cmd) {
53 case LIGHT_ON:
54 dev->value = 1;
55 light_on();
56 break;
57 case LIGHT_OFF:
58 dev->value = 0;
59 light_off();
60 break;
61 default:
62 /* 不能支持的命令 */
63 return -ENOTTY;
64 }
65 return 0;
66 }
67 struct file_operations light_fops = {
68 .owner = THIS_MODULE,
69 .read = light_read,
70 .write = light_write,
71 .ioctl = light_ioctl,
72 .open = light_open,
73 .release = light_release,
74 };
75 /*设置字符设备cdev结构体*/
76 static void light_setup_cdev(struct light_dev *dev, int index)
77 {
78 int err, devno = MKDEV(light_major, index);
79 cdev_init(&dev->cdev, &light_fops);
80 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
81 dev->cdev.ops = &light_fops;
82 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
83 if (err)
84 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);
85 }
86 /*模块加载函数*/
87 int light_init(void)
88 {
89 int result;
90 dev_t dev = MKDEV(light_major, 0);
91 /* 申请字符设备号*/
92 if (light_major)
93 result = register_chrdev_region(dev, 1, "LED");
94 else {
95 result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "LED");
96 light_major = MAJOR(dev);
97 }
98 if (result < 0)
99 return result;
100 /* 分配设备结构体的内存 */
101 light_devp = kmalloc(sizeof(struct light_dev), GFP_KERNEL);
102 if (!light_devp) {
103 result = -ENOMEM;
104 goto fail_malloc;
105 }
106 memset(light_devp, 0, sizeof(struct light_dev));
107 light_setup_cdev(light_devp, 0);
108 light_gpio_init();
109 return 0;
110 fail_malloc:
111 unregister_chrdev_region(dev, light_devp);
112 return result;
113 }
114 /*模块卸载函数*/
115 void light_cleanup(void)
116 {
117 cdev_del(&light_devp->cdev); /*删除字符设备结构体*/
118 kfree(light_devp); /*释放在light_init中分配的内存*/
119 unregister_chrdev_region(MKDEV(light_major, 0), 1); /*删除字符设备*/
120 }
121 module_init(light_init);
122 module_exit(light_cleanup);
上述代码的行数与代码清单1.3已经不能比拟,除了代码清单1.3中的硬件操作函数仍然需要外,代码清单1.4中还包含了大量对我们暂时陌生的元素,如结构体file_operations、cdev,Linux内核模块声明用的MODULE_AUTHOR、MODULE_LICENSE、module_init、module_exit,以及用于字符设备注册、分配和注销用的函数register_chrdev_region()、alloc_chrdev_region()、unregister_chrdev_region()等。我们也不能理解为什么驱动中要包含light_init ()、light_cleanup ()、light_read()、light_write()等函数。
此时,我们只需要有一个感性认识,那就是,上述暂时陌生的元素都是Linux内核给字符设备定义的为实现驱动与内核接口而定义的。Linux对各类设备的驱动都定义了类似的数据结构和函数。