如何從點一個燈開始學寫Linux字符設備驅動

這期內容當中小編將會給大家帶來有關如何從點一個燈開始學寫Linux字符設備驅動，文章內容豐富且以專業的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

這里介紹一下如何利用Linux驅動模型來完成一個LED燈設備驅動。點一個燈有什么好談呢？況且Linux下有專門的leds驅動子系統。

點燈有啥好聊呢？

在很多嵌入式系統里，有可能需要實現數字開關量輸出，比如：

• LED狀態顯示

• 閥門/繼電器控制

• 蜂鳴器

• ......

嵌入式Linux一般需求千變萬化，也不可能這些需求都有現成設備驅動代碼可供使用，所以如何學會完成一個開關量輸出設備的驅動，一方面點個燈可以比較快了解如何具體寫一個字符類設備驅動，另一方面實際項目中對于開關量輸出設備就可以這樣干，所以是具有較強的實用價值的。

要完成這樣一個開關量輸出GPIO的驅動程序，需要梳理梳理下面這些概念：

• 設備編號

• 設備掛載

• 關鍵數據結構

設備編號

字符設備是通過文件系統內的設備名稱進行訪問的，其本質是設備文件系統樹的節點。故Linux下設備也是一個文件，Linux下字符設備在/dev目錄下。可以在開發板的控制臺或者編譯的主Linux系統中利用ls -l /dev查看，如下圖：

對于ls -l列出的屬性，做一個比較細的解析：

細心的朋友或許會發現設備號屬性，在有的文件夾下列出來不是這樣，這就對了！普通文件夾下是這樣：

差別在于一個是文件大小，一個是設備號。

再細心一點的朋友或許還會問，這些/dev下的文件時間屬性為神馬都相差無幾？這是因為/dev設備樹節點是在內核啟動掛載設備驅動動態生成的，所以時間就是系統開機后按次序生成的，你如不信，不妨重啟一下系統在查看一下。

常見文件類型：

• d: directory 文件夾

• l: link  符號鏈接

• p: FIFO pipe 管道文件,可以用mkfifo命令生成創建

• s: socket 套接字文件

• c: char 字符型設備文件

• b: block 塊設備文件

• -：常規文件

回到設備號,設備號是一個32位無符號整型數，其中：

• 12位用來表示主設備號,用于標識設備對應的驅動程序。

• 20位用來表示次設備號，用于正確確定設備文件所指的設備。

這怎么理解呢，看下串口類設備就比較清楚了：

主設備號一樣證明這些設備共用了一個驅動程序，而次設備號不一樣，則對應了不同的串口設備。那么怎么得到設備號呢？

/*下列定義位于./include/linux/types.h */typedef u32 __kernel_dev_t;typedef __kernel_dev_t dev_t;/* 下面宏用于生成主設備號，次設備號       *//* 下列定義位于./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))

使用舉例：

/* 主設備號 */MAJOR(dev_t dev); /* 次設備號 */MINOR(dev_t dev);

設備掛載

為簡化問題，本文描述一下動態加載設備驅動模塊，暫不考慮設備樹。參考<<Linux設備驅動程序>>一書。可參照前文將驅動編譯成模塊，然后利用下面腳步動態加載模塊。由前面描述，知道設備最終需要在/dev目錄下生成一個設備文件，那么這個設備文件節點是怎么生成呢，看看下面的腳本：

#!/bin/sh#-----------------------------------------------------------------------module="led"
device="led"
mode="664"
group="staff"# 利用insmod命令加載設備模塊insmod -f $module.ko $* || exit 1# 獲取系統分配的主設備號 major=`cat /proc/devices | awk "\\$2==\"$module\" {print \\$1}"`# 刪除舊節點rm -f /dev/${device} #創建設備文件節點mknod /dev/${device} c $major 0#設置設備文件節點屬性chgrp $group /dev/${device}
chmod $mode  /dev/${device}

這里要提一下/proc/devices，這是一個文件記錄了字符和塊設備的主設備號，以及分配到這些設備號的設備名稱。比如使用cat命令來列出這個文件內容：

關鍵數據結構

字符設備由什么關鍵數據結構進行抽象的呢，來看看：

• file_operations定義在./include/linux/fs.h

• cdev定義在./include/linux/cdev.h

cdev中與字符設備驅動編程相關兩個數據域：

• const struct file_operations *ops;

• dev_t dev;設備編號

文件操作符是一個龐大的數據結構，常規字符設備驅動一般需要實現下面一些函數指針：

• read:用來實現從設備中讀取數據

• write：用于實現寫入數據到設備

• ioctl：實現執行設備特定命令的方法

• open：用實現打開一個設備文件

• release：當file結構被釋放時，將調用這個接口函數

點燈設備

先上代碼（可左右滑動顯示）：

#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 *//*這里具體參考不同開發板的電路 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){ 
    /* 初始化字符設備驅動數據域 */ 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;
    /* 字符設備注冊 */ 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;
}/* 注銷設備 */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);    //注銷設備號  }/* 注冊設備 */static int led_init(void){ 
 int result;
 dev_t dev = MKDEV( led_major, 0 );
 /* 動態分配設備號 */ 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");

來總結一下要點：

• init函數，需要用module_init宏包起來，本例中即為led_init，module_init宏的作用就是選編譯為模塊或進內核的底層實現，建議剛開始不必深究。一般而言主要實現：

• 申請分配主設備號alloc_chrdev_region

• 為特定設備相關數據結構分配內存

• 將入口函數(open read write等)與字符設備驅動的cdev抽象數據結構關聯

• 將主設備與驅動程序cdev相關聯

• 申請硬件資源，初始化硬件

• 調用cdev_add注冊設備

• exit函數，一樣需要用module_exit包起來，主要負責：

• 釋放硬件資源

• 調用cdev_del刪除設備

• 調用unregister_chrdev_region注銷設備號

• 用戶空間與驅動數據交換

• copy_to_user，如其名一樣，將內核空間數據信息傳遞到用戶空間

• copy_from_user，如其名一樣，從用戶空間拷貝數據進內核空間

• 善用printk進行驅動調試，這是內核打印函數。

• gpio相關操作函數，這里就不一一列舉其作用了，比較容易理解。

測試驅動

#include <fcntl.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#define READ_SIZE 10int 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;
}

編譯成可執行文件，調用前面的腳本加載設備后，在/dev下就可以看到led設備了。比如測試代碼編譯成ledTest執行文件，則使用下面命令運行測試程序就可以看到led控制效果了：

/*打開led 具體取決電路是高有效還是低有效*/./ledTest /dev/led 1./ledTest /dev/led 0

這樣就實現了用戶空間驅動底層設備了，實際應用代碼就可以這樣去訪問底層的字符型設備。

最后總結了簡單字符設備的驅動開發的一些要點，以及如何動態加載，在設備文件系統樹上創建設備節點，并演示了驅動以及驅動使用的基本要點。

上述就是小編為大家分享的如何從點一個燈開始學寫Linux字符設備驅動了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關知識，歡迎關注億速云行業資訊頻道。