本节书摘来华章计算机出版社《Linux设备驱动开发详解 A》一书中的第1章，第1.6节，作者：宋宝华 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。1
1.6 设备驱动Hello World：LED驱动
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者输出。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物理地址中控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO口为输出，在地址GPIO_REG_DATA物理地址中数据寄存器的第n位写入1或0可在引脚上产生高或低电平，则在无操作系统的情况下，设备驱动见代码清单1.3。
代码清单1.3?无操作系统时的LED驱动
1?#def?ine reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL))
2?#def?ine 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（这里仅仅是为了方便讲解，内核中实际实现了一个提供sysfs节点的GPIO LED驱动，位于drivers/leds/leds-gpio.c中），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并针对内核的接口进行调用，代码清单1.4给出了Linux下的LED驱动，此时读者并不需要能读懂这些代码。
代码清单1.4?Linux操作系统下的LED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 f?ile *f?ilp)
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? f?ilp->private_data = dev;
19? return 0;
20?}
21?int light_release(struct inode *inode, struct f?ile *f?ilp)
22?{
23? return 0;
24?}
25?/* 读写设备:可以不需要 */
26?ssize_t light_read(struct f?ile *f?ilp, char __user *buf, size_t count,
27? loff_t *f_pos)
28?{
29? struct light_dev *dev = f?ilp->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 f?ile *f?ilp, const char __user *buf, size_t count,
35? loff_t *f_pos)
36?{
37? struct light_dev *dev = f?ilp->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 f?ile *f?ilp, unsigned int cmd,
49? unsigned long arg)
50?{
51? struct light_dev *dev = f?ilp->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 f?ile_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已经不能相比了，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内核为字符设备定义的，以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。
