嵌入式Linux学习笔记(三) 字符型设备驱动--LED的驱动开发
在成功构建了一个能够运行在开发板平台的系统后,下一步就要正式开始应用的开发(这里前提是有一定的C语言基础,对ARM体系的软/硬件,这部分有疑问可能要参考其它教程),根据需求仔细分解任务,可以发现包含的外设有LED,BEEP,RS232,六轴传感(SPI接口),光环境传感器(I2C),音频输出, RTC等,如果按照这个顺序去实现驱动,一定程度其实又回归最初的模块学习的策略,不过既然是从应用的角度,先实现应用框架,来验证是否符合预期,这比测试模块驱动的更重要,也更容易有产出感。 按照这个需求,就可以先把实际工作分解为如下几个步骤:
1.完成LED驱动,能够正常控制LED的点亮和关闭(本节完成)
2.完成RS232的驱动,能够实现串口的通讯
3.定义一套上位机、下位机之间的通讯协议(也可以使用主流工业协议如Modbus), 并在上位机和下位机编码实现通讯协议的组包和解包
4.实现一套界面化的上位机工具,带有调试功能和控制功能
既然初步的工作已经清晰,就可以开始第一步的工作,完成LED的驱动。
参考资料
1. 开发板原理图 《IMX6UL_ALPHA_V2.0(底板原理图)》 《IMX6ULL_CORE_V1.4(核心板原理图)》
2. 正点原子《Linux驱动开发指南说明V1.0》 第四十章 字符驱动设备开发
3. 宋宝华 《Linux设备驱动开发详解:基于最新的Linux 4.0内核》 第六章 字符驱动设备
4. 恩智浦官方手册 《IMX6ULL参考手册》Chapter 18:Clock Controller Module(CCM)/Chapter 28:General Purpose Input/Output (GPIO)
LED硬件配置实现
首先当然要确定原理图,下图来自底板和核心板原理图。
通过追踪就可以查看当前使用LED的引脚为GPIO1_IO3。
确定硬件后,第一步就是配置GPIO需要使用的寄存器了,对于使用过单片机的用户来说,对于GPIO这类外设,一般包含以下步骤:
1. 使能模块时钟
2. 配置模块或者相关模块的寄存器,使模块复用到需要的功能
3. 提供对外访问的接口
对于嵌入式Linux来说,这部分也没有区别,硬件初始化接口(具体寄存器可使用《IMX6ULL参考手册》查询)
/** * LED硬件初始化,引脚GPIO1_IO03 * * @param NULL * * @return NULL */ static void led_gpio_init(void) { u32 value; /*1. 寄存器地址映射*/ IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(0X020C406C, 4); //时钟使能 SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E0068, 4); //复用功能设置 SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E02F4, 4); //设置PAD的输出状态 GPIO1_DR = ioremap(0X0209C000, 4); //设置LED输出 GPIO1_GDIR = ioremap(0X0209C004, 4); //设置GPIO的状态 /*2.时钟使能*/ value = readl(IMX6U_CCM_CCGR1); value &= ~(3 << 26); value |= (3 << 26); writel(value, IMX6U_CCM_CCGR1); printk("led write 0"); /*3.复用功能设置*/ writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03); /*4.引脚IO功能设置*/ writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03); /*5.引脚输出功能配置*/ value = readl(GPIO1_GDIR); value |= (1 << 3); /* 设置新值 */ writel(value, GPIO1_GDIR); /*5.关闭LED显示,高电平关闭*/ value = readl(GPIO1_DR); value |= (1 << 3); writel(value, GPIO1_DR); printk(KERN_INFO"led hardware init ok\r\n"); }
硬件资源释放.
/** * 释放硬件资源 * * @param NULL * * @return NULL */ static void led_gpio_release(void) { iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1); iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03); iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03); iounmap(GPIO1_DR); iounmap(GPIO1_GDIR); }
硬件设备管理
/** *LED灯开关切换 * * @param status LED开关状态,1开启,0关闭 * * @return NULL */ static void led_switch(u8 status) { u32 value; value = readl(GPIO1_DR); switch(status) { case LED_OFF: printk(KERN_INFO"led off\r\n"); value |= (1 << 3); writel(value, GPIO1_DR); break; case LED_ON: printk(KERN_INFO"led on\r\n"); value &= ~(1 << 3); writel(value, GPIO1_DR); break; default: printk(KERN_INFO"Invalid LED Set"); break; } }
至此,我们就实现了和硬件执行的接口
led_gpio_init()/led_gpio_release()/led_switch(n)
嵌入式内核模块实现
嵌入式内核模块的参考本系列的第一篇文件,主要提供加载到Linux内核,用于insmod和rmmod访问的接口,这部分因为已经讲过,如果希望理解就去看第一节内容,或者参考上面提供的资料。
Linux加载的接口:
/** * 驱动入口函数 * * @param NULL * * @return the error code, 0 on initialization successfully. */ static int __init led_module_init(void) { //此处添加设备注册的实现 //...... } module_init(led_module_init);
Linux释放的接口:
/** * 驱动释放函数 * * @param NULL * * @return the error code, 0 on release successfully. */ static void __exit led_module_exit(void) { //此处添加设备注销的实现 //...... } module_exit(led_module_exit);
此外,在添加驱动说明,如作者,许可证和驱动说明等
MODULE_AUTHOR("zc"); //模块作者 MODULE_LICENSE("GPL v2"); //模块许可协议 MODULE_DESCRIPTION("led driver"); //模块许描述 MODULE_ALIAS("led_driver"); //模块别名
至此本节的准备工作全部完成,下面就开始完成总线上设备的创建,这也是本章最核心的特征。
设备创建和释放
设备创建如果按照固定的结构,使用起来虽然有些困难,如果按照官方流程来实现,是有迹可循的。但是如何从应用层的访问接口open,read,write,close到底层驱动的xxx_open, xxx_read, xxx_write, xxxx_close的调用,这部分的理解在整个驱动机制的重要部分,这部分的难度当然不是一次可以讲清楚的,这里先抛砖引玉,在后面驱动的实践中会步步深入去理解。
作为熟悉C语言知识的开发者来说,可以很清楚open这一类接口是用来访问文件的,而在Linux中,字符型设备和块设备就体现了"一切都是文件"的思想,参考《Linux设备驱动开发详解:基于最新的Linux 4.0内核》第5章的说明,
通关VFS(virtual Filesytem), 将上层接口操作/dev/*下的设备文件,最后访问到驱动内部注册的实际操作硬件的接口。
想理解这部分知识,就需要理解应用层接口做了什么工作,参考这篇文章,https://www.jianshu.com/p/f3f5a33f2c59,以open为例。
open函数,这里可以简述步骤(下面所有实现在linux/fs/namei.c文件中)
1.获取一个可用的id,用于外部的记录,如fd
2.根据name名称如"/dev/led"获取file指针信息,包含设备的实际信息
3.将fd与file关联起来,后续就可以通关fd直接访问file指针的内容(设备端信息指针file),至此我们就获取设备端的信息
4.创建inode类型的数据nd,这部分就是VFS中链接到真正驱动的位置信息,其中包含的cdev *i_cdev即是和设备相关的指针,至于这部分如何链接到实际设备,等后续深入了解后在详细了解。
5.file和nd的链接则依靠file->f_path.mnt和nd->path.mnt配置相等实现
到达这一步,当然还远远不够,但目前只是初步入门,先不过度深入,下面开始驱动编写。其中在module_init中主要完成注册流程,module_exit中完成释放流程,此外还要实现访问LED的接口,具体如下:
1.访问LED的硬件接口链接
/** * 获取LED资源 * * @param inode * @param filp * * @return the error code, 0 on initialization successfully. */ int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) { filp->private_data = &led_driver_info; return 0; } /** * 释放LED设备资源 * * @param inode * @param filp * * @return the error code, 0 on initialization successfully. */ int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } /** * 从LED设备读取数据 * * @param filp * @param buf * @param count * @param f_ops * * @return the error code, 0 on initialization successfully. */ ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { return 0; } /** * 向LED设备写入数据 * * @param filp * @param buf * @param count * @param f_ops * * @return the error code, 0 on initialization successfully. */ ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { int result; u8 databuf[2]; result = copy_from_user(databuf, buf, count); if(result < 0) { printk(KERN_INFO"kernel write failed!\r\n"); return -EFAULT; } /*利用数据操作LED*/ led_switch(databuf[0]); return 0; } /** * light从设备读取状态 * * @param filp * @param cmd * @param arg * * @return the error code, 0 on initialization successfully. */ long led_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) { switch(cmd){ case 0: led_switch(0); break; case 1: led_switch(1); break; default: printk(KERN_INFO"Invalid Cmd!\r\n"); return -ENOTTY; } return 0; } /* 设备操作函数 */ static struct file_operations led_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = led_open, .read = led_read, .write = led_write, .unlocked_ioctl = led_ioctl, .release = led_release, };
2.创建设备,添加到设备总线上,这里要提到知识点,
对于一个设备的基本id,由主设备号和子设备号组成,其中主设备就是挂载在/proc/devices下的设备总线上,如果设备已经存在,则可以用register_chdev_region直接生成设备信息,则需要使用alloc_chrdev_region申请新的设备信息。
在获取设备信息结构后,可通过cdev_init将cdev,设备号以及上面的硬件操作接口函数链接起来。
最后通过cdev_add将设备信息挂载到设备总线上,这时通过cat /proc/devices就可以查看设备是否添加成功。
int result; led_driver_info.major = DEFAULT_MAJOR; led_driver_info.minor = DEFAULT_MINOR; /*在总线上创建设备*/ /*1.申请字符设备号*/ if(led_driver_info.major){ led_driver_info.dev_id = MKDEV(led_driver_info.major, led_driver_info.minor); result = register_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT, DEVICE_LED_NAME); } else{ result = alloc_chrdev_region(&led_driver_info.dev_id, 0, DEVICE_LED_CNT, DEVICE_LED_NAME); led_driver_info.major = MAJOR(led_driver_info.dev_id); led_driver_info.minor = MINOR(led_driver_info.dev_id); } if(result < 0){ printk(KERN_INFO"dev alloc or set failed\r\n"); return result; } else{ printk(KERN_INFO"dev alloc or set ok, major:%d, minor:%d\r\n", led_driver_info.major, led_driver_info.minor); } /*2.添加设备到相应总线上*/ cdev_init(&led_driver_info.cdev, &led_fops); led_driver_info.cdev.owner = THIS_MODULE; result = cdev_add(&led_driver_info.cdev, led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT); if(result != 0){ unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT); printk(KERN_INFO"cdev add failed\r\n"); return result; }else{ printk(KERN_INFO"device add Success!\r\n"); }
3.在/dev/下根据设备号创建设备节点,用于应用上层接口的访问,这部分和mknod /dev/led c 主设备号 从设备号功能一致,理论使用指令也可,具体如下。
/* 4、创建类 */ led_driver_info.class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_LED_NAME); if (IS_ERR(led_driver_info.class)) { printk(KERN_INFO"class create failed!\r\n"); unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT); cdev_del(&led_driver_info.cdev); return PTR_ERR(led_driver_info.class); } else{ printk(KERN_INFO"class create successed!\r\n"); } /* 5、创建设备 */ led_driver_info.device = device_create(led_driver_info.class, NULL, led_driver_info.dev_id, NULL, DEVICE_LED_NAME); if (IS_ERR(led_driver_info.device)) { printk(KERN_INFO"device create failed!\r\n"); unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT); cdev_del(&led_driver_info.cdev); class_destroy(led_driver_info.class); return PTR_ERR(led_driver_info.device); } else{ printk(KERN_INFO"device create successed!\r\n"); } /*硬件初始化*/ led_gpio_init();
至此,创建设备并添加到设备总线的流程实现完毕,这就是module_init中需要的所有实现。
2.释放模块
在上面我们创建设备,占用了系统资源,在卸载模块的时候,这些都要全部释放,不然就会造成内存的泄露,具体如下。
/** * 驱动释放函数 * * @param NULL * * @return the error code, 0 on release successfully. */ static void __exit led_module_exit(void) { /* 注销字符设备驱动 */ device_destroy(led_driver_info.class, led_driver_info.dev_id); class_destroy(led_driver_info.class); cdev_del(&led_driver_info.cdev); unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT); /*硬件资源释放*/ led_gpio_release(); } module_exit(led_module_exit);
测试代码实现
在上面驱动代码就已经实现,但对于应用来说,实现驱动并不是结束,我们还要完成测试单元,但驱动的有效性进行测试,这部分因为并不是严格的工业化项目,所以只做简单的测试,代码如下
#include<unistd.h> #include<sys/types.h> #include<sys/stat.h> #include<fcntl.h> #include<stdio.h> /** * 测试LED工作 * * @param NULL * * @return NULL */ int main(int argc, const char *argv[]) { unsigned char val = 1; int fd; fd = open("/dev/led", O_RDWR | O_NDELAY); if(fd == -1) { printf("/dev/led open error"); return -1; } if(argc > 1){ val = atoi(argv[1]); } write(fd, &val, 1); close(fd); }
Makefile实现
Makefile的语法也是嵌入式Linux开发中重要知识,如果没有对bash语法有深刻的认识,且理解编译原理的那部分知识,这部分其实也十分困难,这也不是三两句可以说清楚的,等积累一段时间后专门用笔记讲解这部分内容,初步能大致看懂,修改会编译就够了。
KERNELDIR := /usr/code/linux CURRENT_PATH := $(shell pwd) obj-m := led.o build: kernel_modules kernel_modules: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules clean: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
保存为Makefile后,使用make指令,就可以编译生成需要的led.ko文件,此外通过
arm-linux-gnueabihf-gcc -o led_test led_test.c也可以生成我们需要的测试文件。
文件上传和执行
可通过sd卡,ssh或者nfs系统,将上述文件添加到上章编译完成的系统中,
执行insmod /usr/driver/led.ko将驱动加载
执行lsmod查询当前加载的驱动
通过./usr/app/led_test 1或者./usr/app/led_test 0控制LED的点亮和关闭,现象如下:
总结
至此,关于LED的驱动开发基本讲解完成,虽然开发参考了部分例程用了不到2个小时,但完成这篇文档用了4个小时,为了能够将知识可以解决出来,去查询书籍,以及去查看内核代码,但是这是值得的,我感觉对驱动有了更深刻的认知,但我认为这是值得的,下节将开始Uart驱动的编写实现,整个流程算走上了正轨,不过我本身还要工作,这是因为五一才有这种效率更新,不过我已经制定了计划,希望能够顺利的去学习吧。
- linux 设备驱动开发学习笔记(一):并发控制
- linux 下块设备驱动开发学习笔记 1
- linux 下块设备驱动开发学习笔记 2(sbull驱动分析)
- linux 设备驱动开发学习笔记(一):最简单的内核模块
- 嵌入式Linux驱动学习之路(十)字符设备驱动-my_led
- 嵌入式Linux驱动学习笔记(一)------第一个LED驱动程序
- 学习嵌入式Linux开发——韦东山升级版全系列嵌入式视频之总线设备驱动模型代码分析
- 嵌入式学习-驱动开发-lesson2-LED字符设备驱动
- 嵌入式Linux设备驱动开发笔记(五)
- 学习笔记(01):嵌入式Linux驱动教程(韦东山2期)-块设备驱动程序的编写驱动之用内存模拟磁盘...
- 嵌入式Linux设备驱动开发笔记(一)
- 嵌入式Linux设备驱动开发笔记(四)
- linux 下块设备驱动开发学习笔记 2(sbull驱动在vmware上测试)
- 嵌入式学习-驱动开发-lesson3-混杂设备驱动模型与linux中断处理流程
- 嵌入式Linux设备驱动开发笔记(三)
- 嵌入式linux学习笔记4之字符设备驱动
- Linux设备驱动开发学习笔录-(init函数和exit函数的书写)
- 学习笔记 --- LINUX I2C设备驱动的实现
- “手把手教你学linux驱动开发”OK6410系列之02---LED字符设备驱动 .
- 嵌入式驱动开发的前期Linux 和C学习(二)