BBB GPIO驱动分析
一、 说明
IO驱动是驱动开发最基础也是很有代表性的，因为IO驱动基本包含了驱动框架中的所有常用函数，例如加载函数、卸载函数、打开函数、关闭函数、IO配置函数，此外还包括设备结构体、存储结构体。具体实现下面分析
二、 IO驱动函数分析
设备加载函数：
加载函数主要是实现设备驱动的注册、分配设备号等相关操作，具体实现代码如下：
static int __init omap3gpio_init(void)
{
int ret;
gpio_dev_num.count = 1;
gpio_dev_num.minor_first = 0;
ret = alloc_chrdev_region(&gpio_dev_num.devNum, gpio_dev_num.minor_first, gpio_dev_num.count, DEVICE_NAME);
if(ret < 0)
return ret;
gpio_dev_num.major = MAJOR(gpio_dev_num.devNum);
gpio_dev_num.minor = MINOR(gpio_dev_num.devNum);
gpio_devp = kzalloc(sizeof(struct gpio_dev),GFP_KERNEL);
gpio_setup_cdev(gpio_devp, 0);
printk(KERN_ERR "gpio alloc_chrdev_region success, major = %d\n", gpio_dev_num.major);
return 0;
}
static void gpio_setup_cdev(struct gpio_dev *dev, int index)
{
int ret,devno = gpio_dev_num.devNum + index;
cdev_init(&dev->cdev, &gpio_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &gpio_fops;
ret = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
if(ret)
printk(KERN_ERR "error %d : adding gpioCtl%d",ret,index);
}
函数中库函数说明：
alloc_chrdev_region(&gpio_dev_num.devNum,gpio_dev_num.minor_first,gpio_dev_num.count, DEVICE_NAME);
功能：分配设备号，与register_chrdev_region()不同的是此函数以向系统动态申请方式获得设备号，获得的设备号放入第一个参数dev中，优点是他会自动避开设备号重复的冲突
gpio_dev_num.major = MAJOR(gpio_dev_num.devNum)
功能：获得主设备号
gpio_dev_num.minor = MINOR(gpio_dev_num.devNum);
功能：获得次设备号
gpio_devp = kzalloc(sizeof(struct gpio_dev),GFP_KERNEL);
功能：内核空间内存动态申请。第一个参数为分配块大小，第二个参数为分配标志
cdev_init(&dev->cdev, &gpio_fops)
功能：初始化cdev成员，并建立cdev与file_operation之间的连接。具体使用方法如下结构：
内核中每个字符设备都对应一个 cdev 结构的变量，下面是它的定义：
/include/linux/cdev.h
struct cdev {
struct kobject kobj; // 每个 cdev 都是一个 kobject
struct module *owner; // 指向实现驱动的模块
const struct file_operations *ops; // 操纵这个字符设备文件的方法
struct list_head list; // 与 cdev 对应的字符设备文件的 inode->i_devices 的链表头
dev_t dev; // 起始设备编号
unsigned int count; // 设备范围号大小
};
一个 cdev 一般它有两种定义初始化方式：静态的和动态的。
静态内存定义初始化：
struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;
动态内存定义初始化：
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
my_cdev->ops = &fops;
my_cdev->owner = THIS_MODULE;
两种使用方式的功能是一样的，只是使用的内存区不一样，一般视实际的数据结构需求而定。
ret = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1)
功能：向系统注册设备。先申请设备号在注册设备
加载函数的流程为：
动态申请设备号 获得主次设备号 分配内存 cdev初始化 设备注册
卸载函数
static void __exit omap3gpio_exit(void)
{
cdev_del(&gpio_devp->cdev);
kfree(gpio_devp);
unregister_chrdev_region(gpio_dev_num.devNum, 1);
printk(KERN_ERR "gpio unregister_chrdev_region success, major = %d\n", gpio_dev_num.major);
}
卸载函数执行与加载函数相反的操作，具体如下：
cdev_del(&gpio_devp->cdev)
功能：向系统删除一个cdev设备
kfree(gpio_devp)
功能：释放申请的内存
unregister_chrdev_region(gpio_dev_num.devNum, 1)
功能：释放之前申请的设备号
打开函数
static int gpio_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct gpio_dev *dev;
dev = container_of(inode->i_cdev, struct gpio_dev, cdev);
filp->private_data = dev;
dev->dptr = NULL;
dev->size = 0;
//printk(KERN_ERR "gpio_open success!\n");
return 0;
}
分析： 由container_of获得结构体指针inode中结构体cdev的指针，让结构体指针dev指向上述的指针所指的地址，再让file->private指向这一地址
关闭函数
static int gpio_close(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct gpio_dev *dev = filp->private_data;
struct gpio_qset *qset, *qsetTmp;
qsetTmp = (struct gpio_qset *)kzalloc(sizeof(struct gpio_qset), GFP_KERNEL);
for(qset = dev->dptr; qset->next !=NULL; qset=qsetTmp)
{
qsetTmp = qset->next;
gpio_free(qset->port); //释放申请的端口
kfree(qset); //释放gpio_qset内存
}
gpio_free(qsetTmp->port);
kfree(qsetTmp);
//printk(KERN_ERR "gpio release!\n");
return 0;
}
IO控制函数
static long gpio_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
int ret;
struct gpio_dev *dev = filp->private_data;
struct gpio_qset *qset;
//cmd == 2 设计成为释放arg端口的功能，之后申请内存的任务便不必执行了，所以直接返回
if(cmd == 2)
{
gpio_free(arg);
return arg;
}
dev->size++;
if(dev->dptr == NULL)
{
dev->dptr = (struct gpio_qset *)kzalloc(sizeof(struct gpio_qset), GFP_KERNEL);
qset = dev->dptr;
}
else
{
for(qset = dev->dptr; qset->next != NULL; qset = qset->next); //找到链表最后一项
qset->next = (struct gpio_qset *)kzalloc(sizeof(struct gpio_qset), GFP_KERNEL);
qset = qset->next;
}
/*链表数据*/
qset->num = dev->size; //确定自己的编号
qset->ddr = cmd; //确定方向
qset->port = arg; //确定端口号
qset->next = NULL; //最后一项地址清空
//printk(KERN_ERR "qset->num=%d,qset->ddr=%d,qset->port=%d\n", qset->num, qset->ddr, qset->port);
sprintf(qset->label, "gpio%ld", qset->port); //确定申请的GPIO使用名称(和端口直接相关)
ret = gpio_request(qset->port, qset->label); //申请端口
/*由于gpio_requset会自己判断成功与否并且退出函数，故注释掉对ret的判断
if(ret < 0)
printk(KERN_ERR "%s_requset failled!%d \n", qset->label, ret);
*/
/*判断GPIO工作方向(输出或输出)*/
switch(qset->ddr)
{
case 0: ret = gpio_direction_input(qset->port);
if(ret < 0) printk(KERN_ERR "gpio_direction_input failled!\n");
break;
case 1: ret = gpio_direction_output(qset->port, 1);
if(ret < 0) printk(KERN_ERR "gpio_direction_output failled!\n");
break;
default:
return -EPERM; /* Operation not permitted */
}
return qset->num;
}
分析：功能:申请新的gpio_qset的内存，确定相应的GPIO端口功能
* cmd:实现的功能，
* 0：读，
* 1：写，
* 2：释放GPIO端口
* arg:执行操作的GPIO端口
* 描述:用户空间调用ioctl时运行
* long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
* 返回值:成功返回操作的GPIO端口号
* 错误返回相应的错误码
应用层使用实例：ioctl(fd, 1, GPIO_TO_PIN(1,22));
ret = gpio_request(qset->port, qset->label);
功能：申请端口
参数：qset->port 对应申请的哪个管脚，这个对应GPIO_TO_PIN(1,22) ,
此引脚含义是GPIO1_22 对应1*32+22=64引脚号
qset->label 此变量为管脚围棋取的名字。
ret = gpio_direction_input(qset->port);
功能：设定IO口方向 ，参数对应GPIO_TO_PIN(1,22) ,
IO读取函数
static ssize_t gpio_read (struct file *filp, char __user *readBuf, size_t port, loff_t *offp)
{
long ret;
struct gpio_dev *dev = filp->private_data;
struct gpio_qset *qset;
if(dev->dptr == NULL)
return -ENODEV; /* No such device */
for(qset = dev->dptr; qset != NULL; qset = qset->next)
{
if(qset->port == port)
break;
if(qset->next == NULL)
return -ENODEV; /* No such device */
}
if(qset->ddr != 0) //判断是否ioctl设置为读操作
return -EPERM; /* Operation not permitted */
qset->value = gpio_get_value(qset->port);
//printk(KERN_ERR "qset->port:%d, qset->value:%d\n", qset->port, qset->value);
switch(qset->value)
{
case 0: ret = copy_to_user(readBuf, "0", 1);
break;
case 1: ret = copy_to_user(readBuf, "1", 1);
break;
}
return qset->value;
}
此函数主要实现把获取应用层端口号参数，将IO口实际状态传递到用户层显示
gpio_get_value(qset->port);
功能：获取port引脚的状态
ret = copy_to_user(readBuf, "0", 1);
功能：将内核层的数值0传给用户层的变量readbuf，
之所以这步是因为只有用户态数据能传给应用程序，才能被应用
IO写操作函数
static ssize_t gpio_write (struct file *filp, const char __user *writeBuf, size_t port, loff_t *offp)
{
long ret;
struct gpio_dev *dev = filp->private_data;
struct gpio_qset *qset;
if(dev->dptr == NULL)
return -ENODEV; /* No such device */
for(qset = dev->dptr; qset != NULL; qset = qset->next)
{
// printk(KERN_ERR "qset->port=%d,port=%d\n", qset->port, port);
if(qset->port == port)
break;
if(qset->next == NULL)
return -ENODEV; /* No such device */
}
if(qset->ddr != 1) //判断是否ioctl设置为写操作
return -EPERM; /* Operation not permitted */
ret = copy_from_user(&qset->value, writeBuf, 1);
//printk(KERN_ERR "write:%d\n", qset->value);
switch(qset->value)
{
case '0': qset->value = 0;
gpio_set_value(qset->port, 0);
break;
default : qset->value = 1;
gpio_set_value(qset->port, 1);
break;
}
return qset->value;
}
此函数用于对IO口赋值
ret = copy_from_user(&qset->value, writeBuf, 1);
功能：将应用程序的参数转为内核态参数，以便下面的对IO口赋值
gpio_set_value(qset->port, 0);
功能：设置IO口port端口的值为0
三、 应用程序测试
完整测试程序如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define GPIO_TO_PIN(bank, gpio) (32 * (bank) + (gpio))
int main(int argc, char * argv)
{
int i, n, fd;
char num;
int ret;
fd = open("/dev/gpioCtl", O_RDWR); //打开设备
if (fd < 0)
{
printf("can't open /dev/gpioCtl!\n");
exit(1);
}
sleep(1);
ioctl(fd, 1, GPIO_TO_PIN(1,22)); //设置gpio1-22为输出（user:led3）
ioctl(fd, 0, GPIO_TO_PIN(2, 1)); //设置gpio2-1 为输入（p8-18）
while (1)
{
num = 1;
ret = write(fd,"1",GPIO_TO_PIN(1,22));
printf("on");
if(ret < 0)
{
perror("write");
return -1;
}
sleep(1);
ret = write(fd,"0",GPIO_TO_PIN(1,22));
printf("off");
if(ret < 0)
{
perror("write");
return -1;
}
sleep(1);
}
}
分析：
程序定义了GPIO1_22为输出，GPIO2_1为输入，通过write函数实现数据写入，即对IO口赋值，通过read函数实现获取此时相应GPIO端口的状态（0或1）。
注：
GPIO驱动加在成功后，会有/dev/gpioCtl这个设备文件产生，驱动是作为一个文件在系统在存在的，如若对设备进行操作，首先打开设备文件，之后进行相应读写等操作
GPIO端口与GPIO号是有对应关系的，在此程序中，例如标注GPIO2_1端口对应的设备号为：2*38+1，
GPIO端口作为中断口时也要将端口号转换为相应的中断号