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LINUX篇基于debian9系统 CH12-LED字符驱动程序

摘要: 12.1概述本节课开始，我们一起学习基于ZYNQ的驱动程序开发。首先声明由于本人能力有限作为一名LINUX驱动初学者，教程更多以笔记形势暂时，笔者对于LINUX驱动程序开发的理解，而不是一名资深的LINUX驱动开发者。笔 ...

12.1概述

本节课开始，我们一起学习基于ZYNQ的驱动程序开发。首先声明由于本人能力有限作为一名LINUX驱动初学者，教程更多以笔记形势暂时，笔者对于LINUX驱动程序开发的理解，而不是一名资深的LINUX驱动开发者。笔记从自生学习的角度，记录如何学习基于ZYNQ的驱动开发。想必学习过单片机的‘童鞋们’都很怀念这个词：“点灯”。一闪一闪的灯亮瞎你的猫眼…咳咳…言归正传，笔者毫不夸张地说：“点灯这件事看似简单，实则贯穿着无数的知识点。”只是一千个读者有一千个哈姆雷特罢了。好了好了，我们回到今天的内容。

12.2在设备树中添加设备信息

本章节先不使用设备树，所以读者可以跳过此步骤。虽然不使用设备树，但我们也简单介绍一下设备树的作用吧，读者可以先简单理解为：“linux内核通过读取设备树来了解它到底能掌控哪些设备，这些设备有什么样的参数”。

12.3 MISCDEVICE驱动开发概述

在linux驱动中，需要提供主设备号和次设备号号，通常使用的主设备号是从 0到 255之间的数，仅仅使用主设备号，还是不叫紧张的，因此需要利用次设备号。linux中，提供了miscdevice这种杂项设备，指定主设备号为10，次设备号可以设置为系统动态分配。在具体分析miscdevice之前，先给出miscdevice的核心设计思想。应用层，打开/dev/xxx 节点，会得到文件描述符 fd，通过fd,可以执行 read()、wriete()、ioctl()、mmap()等对这个文件的操作。

应用层调用 open()函数，经过系统调用后，会调用驱动程序的 open()函数。在前边分析调用过程时，分析过这个open()的调用过程。

驱动程序中，调用file_opeartions的open()的时候，此时，调用到另外一个 file_operations的open()，此时应用层会得到这个open()时的文件描述符fd,此时应用层 read()、write()等操作，就调用到了这个file_operations。故在cdev_init时的 fops 充当一个中转的作用，转到具体的转到具体的fops来操作。

12.4 创建驱动开发路径的文件夹

首先我们创建一个名为driver_app的文件夹，在文件夹内部创建app_code和drv_code两个文件夹，再把共享文件夹内的本课运行代码和驱动程序相关文件拷过来。

led_dev.c

#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/device.h>

#include <asm/io.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/platform_device.h>

#include <linux/miscdevice.h>

#include <linux/ioport.h>

#include <linux/of.h>

#include <linux/uaccess.h>

static void __iomem *led_base; //led寄存器基地址

//打开设备触发的服务函数

static int led_open(struct inode * inode, struct file * filp)

{

printk("dev is open!");

return 0;

}

//写设备触发的服务函数 file：设备 buf：数据缓存区 count：数据个数单位字节

static int led_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)

{

int val,ret;

//把buff缓存数据拷贝到val地址空间

ret = copy_from_user(&val, buf, count);

//把val的值写进led_base寄存器

iowrite32(val, led_base);

printk("led : Write 0x%x to 0x%x.\n", val, (unsigned int)led_base);

return 0;

}

//LED函数接口结构体

static const struct file_operations led_fops =

{

.owner = THIS_MODULE,

.open = led_open,

.write = led_write,

};

//LED设备结构体

static struct miscdevice led_dev=

{

.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,

.name = "led_dev", // /dev/目录下的设备节点名

.fops = &led_fops,

};

//LED设备初始化

static int led_init(void)

{

int ret;

//地址映射：把物理地址转换为虚拟地址

led_base = ioremap(0x41200000, 4);

printk("LED: Access address to device is:0x%x\n", (unsigned int)led_base);

//注册设备到/dev/目录

ret = misc_register(&led_dev);

if(ret)

{

printk("led:[ERROR] Misc device register failed.\n");

return ret;

}

printk("Module init complete!\n");

return 0;

}

//LED设备退出

static void led_exit(void)

{

printk("Module exit!\n");

iounmap(led_base); //取消物理地址的映射

misc_deregister(&led_dev); //删除/dev/目录下的设备节点

}

module_init(led_init); //模块初始化接口

module_exit(led_exit); //模块推出接口

//以下代码可解决一些错误信息

MODULE_AUTHOR("osrc@ ");

MODULE_DESCRIPTION("ledDriver");

MODULE_ALIAS("It's only a test");

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

12.5 驱动函数分析

12.5.1驱动的注册

驱动编译后执行insmod ./led_dev.ko把驱动注册到内核中，当驱动被注册到内核总的时候系统会对驱动做一些的初始化操作。首先是操作系统对led_dev的驱动程序地址空间的分配，包括定义的结构体，变量，指针，和函数。分配完成后，首先执行static int led_init(void)。

在linux kernel 中，物理地址是不能直接使用的，必须通过转换才可以。转换分为两种，静态和动态。不过，静态的地址转换，还需要在kernel 初始化的时候作映射。动态映射是使用 ioremap 函数。本节课程中使用 ioremap 函数动态映射。led_base = ioremap(0x41200000, 4);映射了AXI_GPIO的物理地址0x41200000到用户地址空间，地址长度为BYTE。之后misc_register函数注册led_dev的驱动到内核。

。//LED设备初始化

static int led_init(void)

{

int ret;

//地址映射：把物理地址转换为虚拟地址

led_base = ioremap(0x41200000, 4);

printk("LED: Access address to device is:0x%x\n", (unsigned int)led_base);

//注册设备到/dev/目录

ret = misc_register(&led_dev);

if(ret)

{

printk("led:[ERROR] Misc device register failed.\n");

return ret;

}

printk("Module init complete!\n");

return 0;

}

12.5.2驱动的打开

当应用程序通过调用open("/dev/led_dev", O_RDWR);函数打开设备的时候，此函数被调用。

static int led_open(struct inode * inode, struct file * filp)

{

printk("dev is open!");

return 0;

}

12.5.3驱动的卸载

执行rmmod led_dev的时候卸载驱动

//LED设备退出

static void led_exit(void)

{

printk("Module exit!\n");

iounmap(led_base); //取消物理地址的映射

misc_deregister(&led_dev); //删除/dev/目录下的设备节点

}

12.5.4通过led_write函数

用户程序通过led_write对GPIO进行操作，控制LED.ret = copy_from_user(&val, buf, count);函数实现了把用于空间的程序拷贝到内核空间。iowrite32 可以直接范围我们刚刚ioremap后的地址空间。

//写设备触发的服务函数 file：设备 buf：数据缓存区 count：数据个数单位字节

static int led_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)

{

int val,ret;

//把buff缓存数据拷贝到val地址空间

ret = copy_from_user(&val, buf, count);

//把val的值写进led_base寄存器

iowrite32(val, led_base);

printk("led : Write 0x%x to 0x%x.\n", val, (unsigned int)led_base);

return 0;

}

12.5.5导出的模块函数

Insmod 命令的时候执行module_init()函数，rmmod的时候执行module_exit()函数

module_init(led_init); //模块初始化接口

module_exit(led_exit); //模块推出接口

12.5.5 GPL v2许可及驱动描述信息

其中读者注意最后一条必须这么写，才能符合GPL 的规范，否则驱动可能无法工作。

MODULE_AUTHOR("osrc@ ");

MODULE_DESCRIPTION("ledDriver");

MODULE_ALIAS("It's only a test");

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

12.5.6应用程序

应用程序中fd = open("/dev/led_dev", O_RDWR); //打开设备。

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

int main(int argc, char **argv)

{

int i;

int fd;

int val=1;

fd = open("/dev/led_dev", O_RDWR); //打开设备

if (fd <= 0) {

Printf(“open %s error!\n”, filename)

return;;

}

//LED流水灯

while(1)

{

for(i=0;i<4;i++)

{

val = (1<<i);

write(fd,&val,4); //把val的值写到fd设备中，大小为4字节

sleep(1);

}

return 0;

}

这个open函数不简单，而且如果你不阅读下面的话，你一定理解为我们驱动里面的open函数范围的0.open函数是我们开发中经常会遇到的，这个函数是对文件设备的打开操作，这个函数会返回一个句柄fd，我们通过这个句柄fd对设备文件读写操作。我们在对这个fd作判断的时候，经常会用到：

fd = open(filename, O_RDONLY);

if (fd <= 0) {

Printf(“open %s error!\n”, filename)

return;;

}

我们先来看看open函数的原型：

int open(constchar*pathname,intflags);

int open(constchar*pathname,intflags,mode_tmode);

函数参数：

pathname：打开文件的路径名

flags：用来控制打开文件的模式

mode：用来设置创建文件的权限（rwx）。当flags中带有O_CREAT时才有效。

返回值：调用成功时返回一个文件描述符fd,调用失败时返回-1，并修改errno

正确的判断应该是 if（fd < 0），那我们什么时候会fd=0呢，如果fd=0，那么已经正常打开了，但是我们判断了打开错误了。

open函数返回的文件描述符fd一定是未使用的最小的文件描述符，那么如果0没有使用，那么我们open的时候，首先就会获取到fd=0的情况。默认情况下，0,1,2这三个句柄对应的是标准输入，标准输出，标准错误，系统进程默认会打开0，1，2这三个文件描述符，而且指向了键盘和显示器的设备文件。所以通常我们open的返回值是从3开始的。

如果我们在open之前，close其中的任何一个，则open的时候，则会用到close的最小的值：

close(0);

fd = open(filename，O_RDONLY);

printf(“fd = %d\n”, fd);

则可以发现我们就可以open的时候，返回了0的fd.

12.5.7 Makefile

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

#param-objs := file1.o file1.o

obj-m := led_dev.o

else

KERN_DIR = /mnt/workspace/osrc-lab/sources/kernel

all:

make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules

clean:

make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean

rm -rf modules.order

endif

说明：
当我们在模块的源代码目录下运行make时，make是怎么执行的呢？
假设模块的源代码目录是driver_app/axi_gpio/dev下。

先说明以下makefile中一些变量意义：
（1）KERNELRELEASE是在内核源码的顶层Makefile中定义的一个变量，在第一次读取执行此Makefile时，KERNELRELEASE没有被定义，所以make将读取执行else之后的内容，如果make的目标是clean，直接执行clean操作，然后结束。

（2）-C $(KERN_DIR) 当make的目标为all时，-C $( KERN_DIR)指明跳转到内核源码目录下读取那里的Makefile；

（3）M=`pwd`当从内核源码目录返回时，KERNELRELEASE已被定义，kbuild也被启动去解析kbuild语法的语句，make将继续读取else之前的内容。else之前的内容为kbuild语法的语句，指明模块源码中各文件的依赖关系，以及要生成的目标模块名。

（4）KERN_DIR变量便是当前内核（嵌入式LINUX内核）的源代码目录。

在上面的例子中，我们将该变量设置成了led_dev.o。

关于make modules的更详细的过程可以在内核源码目录下的scripts/Makefile.modpost文件的注释中找到。

如果把led_dev模块移动到内核源代码中。例如放到..kernel/linux/driver/中， KERNELRELEASE就有定义了。

在..kernel/linux/Makefile中有

KERNELRELEASE=$(VERSION).$(PATCHLEVEL).$(SUBLEVEL)$(EXTRAVERSION)$(LOCALVERSION)。

这时候，led_dev模块也不再是单独用make编译，而是在内核中用make modules进行编译，此时驱动模块便和内核编译在一起。