Linux 驱动开发基础知识—— LED 驱动程序框架（四）-阿里云开发者社区

一、回顾字符设备驱动程序框架

驱动层访问硬件外设寄存器依靠的是 ioremap 函数去映射到寄存器地址，然后开始控制寄存器。

（1）确定主设备号，也可以让内核分配；

（2）定义自己的 file_operations 结构体，这是核心；

（3）实现对应的 drv_open / drv_read / drv_write 等函数，填入 file_operations 结构体；

（4）把 file_operations 结构体告诉内核：通过 register_chrdev 函数；

（5）谁来注册驱动程序？需要一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数；

（6）有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序是，出口函数调用 unregister_chrdev;

（7）其它完善：提供设备信息，自动创建设备节点： class_create,device_create

二、LED驱动程序

2.1 对于 LED 驱动，我们想要什么样的接口？

2.2 LED 驱动能支持多个板子的基础：分层思想

（1）把驱动拆分为通用的框架(leddrv.c)、具体的硬件操作(board_X.c)：

（2）以面向对象的思想，改进代码，抽象出一个结构体：

struct led_operations {
  int (*init) (int which); /* 初始化LED, which-哪个LED */       
  int (*ctl) (int which, char status); /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
};

每个单板相关的 board_X.c 实现自己的 led_operations 结构体，供上层的 leddrv.c 调用：

三、代码分析

在hello驱动程序的基础上进行增添优化修改

驱动程序分为上下两层：leddrv.c、board_demo.c。leddrv.c 负责注册 file_operations 结构体，它的 open/write 成员会调用 board_demo.c 中提供的硬件 led_opr 中的对应函数。

3.1 leddrv.c

#include <linux/module.h>
 
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
 
#include "led_opr.h"
 
#define LED_NUM 2
 
/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *led_class;
struct led_operations *p_led_opr;
 
 
#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)
 
/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  return 0;
}
 
/* write(fd, &val, 1); */
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
  int err;
  char status;
  struct inode *inode = file_inode(file);
  int minor = iminor(inode);
  
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  err = copy_from_user(&status, buf, 1);
 
  /* 根据次设备号和status控制LED */
  p_led_opr->ctl(minor, status);
  
  return 1;
}
 
static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
  int minor = iminor(node);
  
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  /* 根据次设备号初始化LED */
  p_led_opr->init(minor);
  
  return 0;
}
 
static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  return 0;
}
 
/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations led_drv = {
  .owner   = THIS_MODULE,
  .open    = led_drv_open,
  .read    = led_drv_read,
  .write   = led_drv_write,
  .release = led_drv_close,
};
 
/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
static int __init led_init(void)
{
  int err;
  int i;
  
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_drv);  /* /dev/led */
 
 
  led_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_led_class");
  err = PTR_ERR(led_class);
  if (IS_ERR(led_class)) {
    printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    unregister_chrdev(major, "100ask_led");
    return -1;
  }
 
  for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
    device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "100ask_led%d", i); /* /dev/100ask_led0,1,... */
 
  p_led_opr = get_board_led_opr();
  
  return 0;
}
 
/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit led_exit(void)
{
  int i;
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
 
  for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
    device_destroy(led_class, MKDEV(major, i)); /* /dev/100ask_led0,1,... */
 
  device_destroy(led_class, MKDEV(major, 0));
  class_destroy(led_class);
  unregister_chrdev(major, "100ask_led");
}
 
 
/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */
 
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL");

上层是 leddrv.c，它的核心是 file_operations 结构体

第20行：LED灯的个数

第37~78行：file_operations 结构体的成员函数

第 49 行、第 60 行，会调用 led_operations 结构体中对应的函数。

/* write(fd, &val, 1); */
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
  int err;
  char status;
  struct inode *inode = file_inode(file);
  int minor = iminor(inode);
  
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  err = copy_from_user(&status, buf, 1);
 
  /* 根据次设备号和status控制LED */
  p_led_opr->ctl(minor, status);
  
  return 1;
}
 
static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
  int minor = iminor(node);
  
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  /* 根据次设备号初始化LED */
  p_led_opr->init(minor);
  
  return 0;
}
 
static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  return 0;
}
 
/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations led_drv = {
  .owner   = THIS_MODULE,
  .open    = led_drv_open,
  .read    = led_drv_read,
  .write   = led_drv_write,
  .release = led_drv_close,
};

第80~105行：驱动程序的上层：file_operations 结构体

第 88 行向内核注册一个 file_operations 结构体。

第99~100行：创建多个次设备号

第 102 行从底层硬件相关的代码 board_demo.c 中获得 led_operaions 结构体。、

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
static int __init led_init(void)
{
  int err;
  int i;
  
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_drv);  /* /dev/led */
 
 
  led_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_led_class");
  err = PTR_ERR(led_class);
  if (IS_ERR(led_class)) {
    printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    unregister_chrdev(major, "100ask_led");
    return -1;
  }
 
  for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
    device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "100ask_led%d", i); /* /dev/100ask_led0,1,... */
 
  p_led_opr = get_board_led_opr();
  
  return 0;
}

第37~52行：led_drv_write

第41行：监测当前状态

第42行：获得次设备号，inode从file中获取

第46行：将buf中的数据拷贝1个字节到status中

第49行：根据次设备号和status控制LED

第54~63行：led_drv_open

第56行：获得次设备号，inode从node中获取

第60行：根据次设备号初始化LED

第82~105行：led_init

第102行：入口函数中获得结构体指针

3.2 led_opr.h

led_opr.h，它定义了一个 led_operations 结构体，把 LED 的操作抽象为这个结构体：

#ifndef _LED_OPR_H
#define _LED_OPR_H
 
struct led_operations {
  int (*init) (int which); /* 初始化LED, which-哪个LED */       
  int (*ctl) (int which, char status); /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
};
 
struct led_operations *get_board_led_opr(void);
 
 
#endif

3.3 board_demo.c

#include <linux/module.h>
 
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include "led_opr.h"
 
static int board_demo_led_init (int which) /* 初始化LED, which-哪个LED */     
{
  
  printk("%s %s line %d, led %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which);
  return 0;
}
 
static int board_demo_led_ctl (int which, char status) /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
{
  printk("%s %s line %d, led %d, %s\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, status ? "on" : "off");
  return 0;
}
 
static struct led_operations board_demo_led_opr = {
  .init = board_demo_led_init,
  .ctl  = board_demo_led_ctl,
};
 
struct led_operations *get_board_led_opr(void)
{
  return &board_demo_led_opr;
}

3.4 Makefile

 
# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册
 
KERN_DIR = /home/book/100ask_roc-rk3399-pc/linux-4.4
 
all:
  make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
  $(CROSS_COMPILE)gcc -o ledtest ledtest.c 
 
clean:
  make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
  rm -rf modules.order
  rm -f ledtest
 
# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o
 
# leddrv.c board_demo.c 编译成 100ask.ko
100ask_led-y := leddrv.o board_demo.o
obj-m += 100ask_led.o

3.5 ledtest.c

 
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
/*
 * ./ledtest /dev/100ask_led0 on
 * ./ledtest /dev/100ask_led0 off
 */
int main(int argc, char **argv)
{
  int fd;
  char status;
  
  /* 1. 判断参数 */
  if (argc != 3) 
  {
    printf("Usage: %s <dev> <on | off>\n", argv[0]);
    return -1;
  }
 
  /* 2. 打开文件 */
  fd = open(argv[1], O_RDWR);
  if (fd == -1)
  {
    printf("can not open file %s\n", argv[1]);
    return -1;
  }
 
  /* 3. 写文件 */
  if (0 == strcmp(argv[2], "on"))
  {
    status = 1;
    write(fd, &status, 1);
  }
  else
  {
    status = 0;
    write(fd, &status, 1);
  }
  
  close(fd);
  
  return 0;
}

第 26 行打开设备节点。

如果用户想点亮 LED，第 37 行会把值“1”通过 write 函数写入驱动程序。

如果用户想熄灭 LED，第 42 行会把值“0”通过 write 函数写入驱动程序。

四、上机测试

4.1编译

编译程序，把代码上传代服务器后执行 make 命令。

cp 100ask_led.ko ledtest ~/nfs_rootfs/

4.2 挂载到开发板

在开发板上挂载 NFS

4.3 测试

最后在开发板上加载驱动程序，执行测试程序，如下：

[root@100ask:~]# insmod /mnt/led_drv.ko                        //安装驱动
[root@100ask:~]# lsmod                                         //查询驱动
[root@100ask:~]# rmmod /mnt/led_drv.ko                         //卸载驱动
[root@100ask:~]# ls / /dev/100ask_led* -l                      //查询设备
[root@100ask:~]# /mnt/ledtest /dev/100ask_led0 on              // 点灯
[root@100ask:~]# /mnt/ledtest /dev/100ask_led0 off             // 关灯
[root@100ask:~]# demsg                                         //查看内核信息