从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动

[导读] 前一篇文章，介绍了如何将一个hello word模块编译进内核或者编译为动态加载内核模块，本篇来介绍一下如何利用Linux驱动模型来完成一个LED灯设备驱动。点一个灯有什么好谈呢？况且Linux下有专门的leds驱动子系统。

点灯有啥好聊呢？

在很多嵌入式系统里，有可能需要实现数字开关量输出，比如：

• LED状态显示
• 阀门/继电器控制
• 蜂鸣器
• ......

嵌入式Linux一般需求千变万化，也不可能这些需求都有现成设备驱动代码可供使用，所以如何学会完成一个开关量输出设备的驱动，一方面点个灯可以比较快了解如何具体写一个字符类设备驱动，另一方面实际项目中对于开关量输出设备就可以这样干，所以是具有较强的实用价值的。

要完成这样一个开关量输出GPIO的驱动程序，需要梳理梳理下面这些概念：

• 设备编号
• 设备挂载
• 关键数据结构

设备编号

字符设备是通过文件系统内的设备名称进行访问的，其本质是设备文件系统树的节点。故Linux下设备也是一个文件，Linux下字符设备在/dev目录下。可以在开发板的控制台或者编译的主Linux系统中利用ls -l /dev查看，如下图：

对于ls -l列出的属性，做一个比较细的解析：

细心的朋友或许会发现设备号属性，在有的文件夹下列出来不是这样，这就对了！普通文件夹下是这样：

差别在于一个是文件大小，一个是设备号。

再细心一点的朋友或许还会问，这些/dev下的文件时间属性为神马都相差无几？这是因为/dev设备树节点是在内核启动挂载设备驱动动态生成的，所以时间就是系统开机后按次序生成的，你如不信，不妨重启一下系统在查看一下。

常见文件类型：

• d: directory 文件夹
• l: link  符号链接
• p: FIFO pipe 管道文件,可以用mkfifo命令生成创建
• s: socket 套接字文件
• c: char 字符型设备文件
• b: block 块设备文件
• -：常规文件

回到设备号,设备号是一个32位无符号整型数，其中：

• 12位用来表示主设备号,用于标识设备对应的驱动程序。
• 20位用来表示次设备号，用于正确确定设备文件所指的设备。

这怎么理解呢，看下串口类设备就比较清楚了：

主设备号一样证明这些设备共用了一个驱动程序，而次设备号不一样，则对应了不同的串口设备。那么怎么得到设备号呢？

/*下列定义位于./include/linux/types.h */
typedef u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t dev_t;

/* 下面宏用于生成主设备号，次设备号       */
/* 下列定义位于./include/linux/Kdev_t.h */
#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)

#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

使用举例：

/* 主设备号 */
MAJOR(dev_t dev); 
/* 次设备号 */
MINOR(dev_t dev);

设备挂载

为简化问题，本文描述一下动态加载设备驱动模块，暂不考虑设备树。参考<<Linux设备驱动程序>>一书。可参照前文将驱动编译成模块，然后利用下面脚步动态加载模块。由前面描述，知道设备最终需要在/dev目录下生成一个设备文件，那么这个设备文件节点是怎么生成呢，看看下面的脚本：

#!/bin/sh
#-----------------------------------------------------------------------
module="led"
device="led"
mode="664"
group="staff"

# 利用insmod命令加载设备模块
insmod -f $module.ko $* || exit 1
# 获取系统分配的主设备号 
major=`cat /proc/devices | awk "\\$2==\"$module\" {print \\$1}"`

# 删除旧节点
rm -f /dev/${device} 

#创建设备文件节点
mknod /dev/${device} c $major 0
#设置设备文件节点属性
chgrp $group /dev/${device}
chmod $mode  /dev/${device}

这里要提一下/proc/devices，这是一个文件记录了字符和块设备的主设备号，以及分配到这些设备号的设备名称。比如使用cat命令来列出这个文件内容：

关键数据结构

字符设备由什么关键数据结构进行抽象的呢，来看看：

• file_operations定义在./include/linux/fs.h
• cdev定义在./include/linux/cdev.h

cdev中与字符设备驱动编程相关两个数据域：

• const struct file_operations *ops;
• dev_t dev;设备编号

文件操作符是一个庞大的数据结构，常规字符设备驱动一般需要实现下面一些函数指针：

• read:用来实现从设备中读取数据
• write：用于实现写入数据到设备
• ioctl：实现执行设备特定命令的方法
• open：用实现打开一个设备文件
• release：当file结构被释放时，将调用这个接口函数

点灯设备

先上代码（可左右滑动显示）：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/kernel.h>  /* printk() */
#include <linux/major.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>      /* everything... */
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/uaccess.h>   /* copy_*_user */

/*这里具体参考不同开发板的电路 GPIOC24 */
#define LED_CTRL   (2*32+24)  

static const unsigned int led_pad_cfg = LED_CTRL;

struct t_led_dev{
 struct cdev cdev;
 unsigned char value; 
};

struct t_led_dev  led_dev;
static dev_t led_major;
static dev_t led_minor=0; 

static int led_open(struct inode * inode,struct file * filp)
{ 
 filp->private_data = &led_dev; 
 
 printk ("led is opened!\n");          
 return 0;
}

static int led_release(struct inode * inode,
                       struct file * filp)
{
 return 0;
}

static ssize_t led_read(struct file * file, 
                        char __user * buf,
                        size_t count, 
                        loff_t *ppos)
{
 ssize_t ret=1;   
 if(copy_to_user(&(led_dev.value),buf,1))
  return -EFAULT;
 printk ("led is read!\n");
 return ret;
}

static ssize_t led_write(struct file * filp, 
                         const char __user *buf,
                         size_t count,loff_t *ppos)
{
 unsigned char value; 
    ssize_t retval = 0;
 if(copy_from_user(&value,buf,1))
  return -EFAULT;
 
 if(value&0x01)
  gpio_set_value(led_pad_cfg, 1);
 else
  gpio_set_value(led_pad_cfg, 0);

    printk ("led is written!\n");
 return retval;
}

static const struct file_operations led_fops = {
 .owner = THIS_MODULE,
 .read  = led_read,
 .write = led_write,
 .open  = led_open,
 .release = led_release,
};

static void led_setup_cdev(struct t_led_dev * dev, int index)
{ 
    /* 初始化字符设备驱动数据域 */
 int err,devno = MKDEV(led_major,led_minor+index);
 cdev_init(&(dev->cdev),&led_fops);
 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
 dev->cdev.ops = &led_fops;
    /* 字符设备注册 */
 err = cdev_add(&(dev->cdev),devno,1);
 if(err)
  printk(KERN_NOTICE "Error %d adding led %d",err,index); 
}

static int led_gpio_init(void)
{
 if (gpio_request(LED_CTRL, "led") < 0) {
  printk("Led request gpio failed\n");
  return -1;
 }
 
 printk("Led gpio requested ok\n");
 
 gpio_direction_output(LED_CTRL, 1); 
 gpio_set_value(LED_CTRL, 1);
 
 return 0;
}
/* 注销设备 */
void led_cleanup(void)
{ 
 dev_t devno = MKDEV(led_major, led_minor); 
 gpio_set_value(LED_CTRL, 0); 
 gpio_free(LED_CTRL);

 cdev_del(&led_dev.cdev); 
 unregister_chrdev_region(devno, 1);    //注销设备号  
}

/* 注册设备 */
static int led_init(void)
{ 
 int result;
 dev_t dev = MKDEV( led_major, 0 );
 /* 动态分配设备号 */
 result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "led");      
 if(result<0)
  return result; 
 
 led_major = MAJOR(dev);
 
 memset(&led_dev,0,sizeof(struct t_led_dev));
 led_setup_cdev(&led_dev,0);

 led_gpio_init();
 printk ("led device initialised!\n"); 
 
 return result;
}

module_init(led_init);
module_exit(led_cleanup);

MODULE_DESCRIPTION("Led device demo");
MODULE_AUTHOR("embinn");
MODULE_LICENSE("GPL");

来总结一下要点：

• init函数，需要用module_init宏包起来，本例中即为led_init，module_init宏的作用就是选编译为模块或进内核的底层实现，建议刚开始不必深究。一般而言主要实现：

• 申请分配主设备号alloc_chrdev_region
• 为特定设备相关数据结构分配内存
• 将入口函数(open read write等)与字符设备驱动的cdev抽象数据结构关联
• 将主设备与驱动程序cdev相关联
• 申请硬件资源，初始化硬件
• 调用cdev_add注册设备

• exit函数，一样需要用module_exit包起来，主要负责：

• 释放硬件资源
• 调用cdev_del删除设备
• 调用unregister_chrdev_region注销设备号

• 用户空间与驱动数据交换

• copy_to_user，如其名一样，将内核空间数据信息传递到用户空间
• copy_from_user，如其名一样，从用户空间拷贝数据进内核空间

• 善用printk进行驱动调试，这是内核打印函数。

• gpio相关操作函数，这里就不一一列举其作用了，比较容易理解。

测试驱动

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define READ_SIZE 10

int main(int argc, char **argv){
 int fd,count;
 float value;
 unsigned char buf[READ_SIZE+1];
 printf( "Cmd argv[0]:%s,argv[1]:%s,argv[2]:%s\n",argv[0],argv[1],argv[2] );
 
 if( argc<2 ){
  printf( "[Usage: test device_name ]\n" );
  exit(0);
 }
    if(strlen(argv[2]!=1)
        printf( "Invalid parameter\n" );
    
 if(( fd = open(argv[1],O_WRONLY  ))<0){
  printf( "Error:can not open the device: %s\n",argv[1] );
  exit(1);
 }
    
    if(argv[2][0] == '1')
        buf[0] = 1;
    else if(argv[2][0] == '0')
        buf[0] = 0;
    else
        printf( "Invalid parameter\n" );

 printf("write: %d\n",buf[0]);
 if( (count = write( fd, buf ,1 ))<0 ){
  perror("write error.\n");
  exit(1);  
 }
 
 close(fd);
 printf("close device %s\n",argv[1] );
 return 0;
}

编译成可执行文件，调用前面的脚本加载设备后，在/dev下就可以看到led设备了。比如测试代码编译成ledTest执行文件，则使用下面命令运行测试程序就可以看到led控制效果了：

/*打开led 具体取决电路是高有效还是低有效*/
./ledTest /dev/led 1
./ledTest /dev/led 0

这样就实现了用户空间驱动底层设备了，实际应用代码就可以这样去访问底层的字符型设备。

总结一下

本文总结了简单字符设备的驱动开发的一些要点，以及如何动态加载，在设备文件系统树上创建设备节点，并演示了驱动以及驱动使用的基本要点。