Linux驱动开发|新字符设备驱动开发

原创

andyxi_linux 2022-01-02 15:09:04 博主文章分类：Linux驱动开发 ©著作权

文章标签 驱动开发 linux imx6ull driver 设备号 文章分类 代码人生

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新字符设备驱动开发

经过前两章的介绍，我们已经掌握了 Linux 字符设备驱动开发的基本步骤，字符设备驱动开发重点是使用 register_chrdev 函数注册字符设备，当不再使用设备的时候就使用unregister_chrdev 函数注销字符设备，驱动模块加载成功以后还需要手动使用 mknod 命令创建设备节点

register_chrdev 和 unregister_chrdev 这两个函数是老版本驱动使用的函数，现在新的字符设备驱动已经不再使用这两个函数，而是使用Linux内核推荐的新字符设备驱动API函数。本节我们就来学习一下如何编写新字符设备驱动，并且在驱动模块加载的时候自动创建设备节点文件

1. 新字符设备驱动原理

1.1 分配和释放设备号

使用 register_chrdev 函数注册字符设备的时候只需要给定一个主设备号即可，但是这样会带来两个问题：

需要我们事先确定好哪些主设备号没有使用

会将一个主设备号下的所有次设备号都使用掉

解决上述问题的方法就是要使用设备号的时候向 Linux 内核申请，需要几个就申请几个，由 Linux 内核分配设备可以使用的设备号

如果没有指定设备号，就使用如下函数来申请设备号：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

如果指定了主设备号和次设备号，就使用如下函数来注册设备号：

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

注销字符设备之后要释放掉设备号，不管是通过alloc_chrdev_region还是register_chrdev_region 函数申请的设备号，统一使用如下释放函数：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

所以新字符设备驱动下，设备号分配代码一般如下所示：

int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
dev_t devid; /* 设备号 */

if (major) { 	/* 定义了主设备号 */
	devid = MKDEV(major, 0); 			/* 大部分驱动次设备号都选择 0 */
	register_chrdev_region(devid, 1, "test");
} else { 		/* 没有定义设备号 */
	alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test"); /* 申请设备号 */
	major = MAJOR(devid); 		/* 获取分配号的主设备号 */
	minor = MINOR(devid); 		/* 获取分配号的次设备号 */
}

1.2 新的字符设备注册方法

字符设备结构：cdev 结构体表示一个字符设备，其在 include/linux/cdev.h 文件中定义

struct cdev {
	struct kobject kobj;
	struct module *owner;
	const struct file_operations *ops;	//文件操作函数集合
	struct list_head list;
	dev_t dev;		//设备号
	unsigned int count;
};
//编写字符设备驱动之前需要定义一个cdev结构体变量

cdev_init 函数：定义好 cdev 变量以后，使用 cdev_init 函数对其进行初始化
cdev_add 函数：向 Linux 系统添加字符设备(cdev 结构体变量)

struct cdev testcdev;

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations test_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	/* 其他具体的初始项 */
};

testcdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&testcdev, &test_fops); /* 初始化cdev结构体变量 */
cdev_add(&testcdev, devid, 1); /* 添加字符设备 */

cdev_del 函数：卸载驱动的时候一定要使用 cdev_del 函数从 Linux 内核中删除相应的字符设备

void cdev_del(struct cdev *p)

2. 自动创建设备节点

在之前的实验中，当我们使用 modprobe 加载驱动程序以后还需要使用命令“mknod”手动创建设备节点。本节将介绍如何实现自动创建设备节点，在驱动中实现自动创建设备节点的功能以后，使用 modprobe 加载驱动模块成功的话就会自动在/dev 目录下创建对应的设备文件

2.1 mdev机制

udev 是一个用户程序，在 Linux 下通过 udev 来实现设备文件的创建与删除， udev 可以检测系统中硬件设备状态，可以根据系统中硬件设备状态来创建或者删除设备文件。比如使用modprobe 命令成功加载驱动模块以后就自动在/dev 目录下创建对应的设备节点文件,使用rmmod 命令卸载驱动模块以后就删除掉/dev 目录下的设备节点文件。使用 busybox 构建根文件系统的时候， busybox 会创建一个 udev 的简化版本—mdev，所以在嵌入式 Linux 中我们使用mdev 来实现设备节点文件的自动创建与删除， Linux 系统中的热插拔事件也由 mdev 管理，在/etc/init.d/rcS 文件中有如下语句：

echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug

2.2 创建和删除类

自动创建设备节点的工作是在驱动程序的入口函数中完成的，一般在 cdev_add 函数后面添加自动创建设备节点相关代码

class_create 类创建函数：

struct class *class_create (struct module *owner, const char *name)
//参数 owner 一般为 THIS_MODULE
//参数 name 是类名字
//返回值是个指向结构体 class 的指针，也就是创建的类

class_destroy 类删除函数：卸载驱动程序的时候需要删除掉类

void class_destroy(struct class *cls)
//参数 cls 就是要删除的类

2.3 创建设备

创建好类后还不能实现自动创建设备节点，还需要在这个类下创建一个设备。

device_create 设备创建函数

struct device *device_create(struct class *class,	//设备创建在哪个类下
							 struct device *parent,	//父设备，一般为NULL
							 dev_t devt,			//设备号
							 void *drvdata,			//设备可能会使用的数据，一般NULL
							 const char *fmt, ...)	//设备名字
//返回值是创建好的设备

device_destroy 设备删除函数：卸载驱动的时候需要删除掉创建的设备

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)
//参数 class 是要删除的设备所处的类
//参数 devt 是要删除的设备号

2.4 参考示例

在驱动入口函数里面创建类和设备，在驱动出口函数里面删除类和设备，参考示例如下：

struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
dev_t devid; /* 设备号 */

/* 驱动入口函数 */
static int __init led_init(void)
{
	/* 创建类 */
	class = class_create(THIS_MODULE, "xxx");
	/* 创建设备 */
	device = device_create(class, NULL, devid, NULL, "xxx");
	return 0;
}

/* 驱动出口函数 */
static void __exit led_exit(void)
{
	/* 删除设备 */
	device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);
	/* 删除类 */
	class_destroy(newchrled.class);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

3. 设置文件私有数据

每个硬件设备都有一些属性，比如主设备号(dev_t)，类(class)、设备(device)、开关状态(state)
等等，在编写驱动的时候你可以将这些属性全部写成变量的形式，但是这样写不专业！对于一个设备的所有属性信息我们最好将其做成一个结构体。编写驱动 open 函数的时候将设备结构体作为私有数据添加到设备文件中，如下所示：

/* 设备结构体 */
struct test_dev{
	dev_t devid; /* 设备号 */
	struct cdev cdev; /* cdev */
	struct class *class; /* 类 */
	struct device *device; /* 设备 */
	int major; /* 主设备号 */
	int minor; /* 次设备号 */
};

struct test_dev testdev;

/* open 函数 */
static int test_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = &testdev; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}

综上所述，新字符设备驱动开发流程如下图所示：

Linux驱动开发|新字符设备驱动开发_linux

4. 硬件原理图

LED0的原理图如下示：
Linux驱动开发|新字符设备驱动开发_driver_02

开发板LED0接到了GPIO_3上，且上拉到3.3V上，因此GPIO输出高电平时，LED0不会被点亮，输出低电平时，LED0被点亮

5. 程序编写

5.1 驱动程序编写

新建名为“03_newchrled”文件夹，然后在03_newchrled文件夹里面创建 VSCode工程，工作区命名为“newchrled”，添加头文件路径。工程创建好以后新建 led的驱动文件 newchrled.c，在 newchrled.c 里面输入如下内容：

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define NEWCHRLED_CNT			1		  	/* 设备号个数 */
#define NEWCHRLED_NAME			"newchrled"	/* 名字 */
#define LEDOFF 					0			/* 关灯 */
#define LEDON 					1			/* 开灯 */
 
/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)	
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE				(0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE				(0X0209C004)

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

/* newchrled设备结构体 */
struct newchrled_dev{
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;		/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
};

struct newchrled_dev newchrled;	/* led设备 */

/*
 * @description		: LED打开/关闭
 * @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
 * @return 			: 无
 */
void led_switch(u8 sta)
{
	u32 val = 0;
	if(sta == LEDON) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val &= ~(1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}else if(sta == LEDOFF) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val|= (1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}	
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = &newchrled; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
 */
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
 */
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	int retvalue;
	unsigned char databuf[1];
	unsigned char ledstat;

	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
	if(retvalue < 0) {
		printk("kernel write failed!\r\n");
		return -EFAULT;
	}

	ledstat = databuf[0];		/* 获取状态值 */

	if(ledstat == LEDON) {	
		led_switch(LEDON);		/* 打开LED灯 */
	} else if(ledstat == LEDOFF) {
		led_switch(LEDOFF);	/* 关闭LED灯 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations newchrled_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	u32 val = 0;

	/* 初始化LED */
	/* 1、寄存器地址映射 */
  	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
	SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
  	SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
	GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);

	/* 2、使能GPIO1时钟 */
	val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
	val &= ~(3 << 26);	/* 清楚以前的设置 */
	val |= (3 << 26);	/* 设置新值 */
	writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
	 *    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
	 */
	writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
	
	/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性
	 *bit 16:0 HYS关闭
	 *bit [15:14]: 00 默认下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 关闭开路输出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
	 */
	writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);

	/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
	val = readl(GPIO1_GDIR);
	val &= ~(1 << 3);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (1 << 3);	/* 设置为输出 */
	writel(val, GPIO1_GDIR);

	/* 5、默认关闭LED */
	val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);

	/* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (newchrled.major) {		/*  定义了设备号 */
		newchrled.devid = MKDEV(newchrled.major, 0);
		register_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);
	} else {						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);	/* 申请设备号 */
		newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	printk("newcheled major=%d,minor=%d\r\n",newchrled.major, newchrled.minor);	
	
	/* 2、初始化cdev */
	newchrled.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&newchrled.cdev, &newchrled_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&newchrled.cdev, newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);

	/* 4、创建类 */
	newchrled.class = class_create(THIS_MODULE, NEWCHRLED_NAME);
	if (IS_ERR(newchrled.class)) {
		return PTR_ERR(newchrled.class);
	}

	/* 5、创建设备 */
	newchrled.device = device_create(newchrled.class, NULL, newchrled.devid, NULL, NEWCHRLED_NAME);
	if (IS_ERR(newchrled.device)) {
		return PTR_ERR(newchrled.device);
	}
	
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	/* 取消映射 */
	iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
	iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
	iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
	iounmap(GPIO1_DR);
	iounmap(GPIO1_GDIR);

	/* 注销字符设备驱动 */
	cdev_del(&newchrled.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);
	class_destroy(newchrled.class);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

5.2 测试程序编写

编写测试 APP led驱动加载成功以后手动创建 /dev/led节点，应用 APP通过操作 /dev/led文件来完成对 LED设备的控制。向 /dev/led文件写 0表示关闭 LED灯，写 1表示打开 LED灯。新建 newchrledApp.c文件，在里面输入如下内容：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#define LEDOFF 	0
#define LEDON 	1

/*
 * @description		: main主程序
 * @param - argc 	: argv数组元素个数
 * @param - argv 	: 具体参数
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, retvalue;
	char *filename;
	unsigned char databuf[1];
	
	if(argc != 3){
		printf("Error Usage!\r\n");
		return -1;
	}

	filename = argv[1];

	/* 打开led驱动 */
	fd = open(filename, O_RDWR);
	if(fd < 0){
		printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	databuf[0] = atoi(argv[2]);	/* 要执行的操作：打开或关闭 */

	/* 向/dev/led文件写入数据 */
	retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
	if(retvalue < 0){
		printf("LED Control Failed!\r\n");
		close(fd);
		return -1;
	}

	retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */
	if(retvalue < 0){
		printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}
	return 0;
}

6. 运行测试

6.1 程序编译

编译驱动程序

创建Makefile文件

KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := newchrled.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

使用make命令编译驱动模块，编译成功以后就会生成一个叫做 newchrled.ko 的驱动模块文件

编译测试APP

arm-linux-gnueabihf-gcc newchrledApp.c -o newchrledApp

编译成功以后就会生成 ledApp这个应用程序。

6.2 运行测试

将上一小节编译出来的 newchrled.ko和 newchrledApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，开启开发板，进入到目录 lib/modules/4.1.15中

加载 newchrled.ko驱动模块

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe newchrled.ko //加载驱动

驱动加载成功以后会输出申请到的主设备号和次设备号
驱动加载成功以后会自动在/dev 目录下创建设备节点文件/dev/newchrdev，输入如下命令查看

ls /dev/newchrled -l

驱动节点创建成功后，就可以使用 newchrledApp软件来测试驱动是否工作正常

./newchrledApp /dev/newchrled 1 	#打开LED灯
./newchrledApp /dev/newchrled 0     #关闭LED灯

若要卸载驱动输入如下命令

rmmod newchrled.ko

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