字符驱动程序框架与应用测试程序编写

该文章主要目的为了学习并掌握以下几个方面：

1. 熟悉并编写字符设备驱动框架
2. 学习应用层的测试程序编写
3. 内核空间与用户空间的数据传输
4. 驱动安装与卸载、设备文件查看、应用程序运行等相关命令使用。

---

嵌入式系统框架简单介绍

嵌入式系统由硬件、驱动、操作系统、应用，这几部分层次构成。其中，驱动程序是硬件层与系统层之间的交互层，主要作用是操作底层硬件，实现硬件控制，而应用层位于操作系统层之上，应用层以操作系统为中介，对驱动层的相关主要函数进行调用（如open(),read(),write()等函数），进而实现对硬件控制。
通常，驱动程序是编译进操作系统内核中的，与内核融为一体，区别在于，驱动程序可以以模块化的形式动态编译进内核中，相当于拼图一样，灵活可拆卸。操作系统可以理解为庞大的函数库，提供驱动和应用程序的调用。
应用程序的存放在文件系统中，文件系统可以理解为一个目录系统，由很多目录组成，而这些应用程序就可以存放在某目录下某文件中（相当于Windows电脑下各个盘符和目录一样，存在各个应用程序和文件），因此应用程序可以方便被查找和运行。
（以上均为个人理解o(￣︶￣)o，有不足之处请指教哦。下面正式进入实操）

---

实验内容与源码

编写驱动程序和测试程序，实现：开发板任意2个按键按下，3个led灯反转，并在shell终端显示开发板运行的相关信息。

前期条件：开发板烧录好u-boot，linux内核，文件系统
芯片：S3C440
开发板：韦老大的JZ2440
引脚说明 KEY1：GPP0，KEY2：GPG3 LED1：GPP4，LED2：GPP5，LED3：GPP6

本实验源码下载链接：”点击此处”

---

字符驱动程序框架与编写

驱动程序很多中，本文章以字符驱动程序为入门。学完驱动程序后，就感觉还算蛮简单，主要是熟悉它的整体结构形式，以及底层寄存器的控制。下面为编写流程:

1. 新建以驱动源码文件，名为：drv_keyled.c ,然后找好一个已经写好的字符驱动源码，作为模板参考。
2. 将需要的头文件写进来，可以直接从模板中copy过来（这些头文件就是系统内核的源码库，驱动程序会从中调用），头文件如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

3.定义需要用的寄存器名称等

typedef  unsigned long Uint32;
volatile unsigned long *gpiog_con=NULL;     //寄存器
volatile unsigned long *gpiog_data=NULL;   //寄存器

volatile unsigned long *gpiof_con=NULL;  //寄存器
volatile unsigned long *gpiof_data=NULL;//寄存器

int major;//主设备号

//类和设备类，可以帮助用于自动创建设备文件
static struct class* drv_keyled_class;  //定义类
static struct class_device* drv_keyled_class_device;  //定义一类设备

4.绑定驱动有关的重要函数到内核中。关联绑定后，使得应用层（用户层）调用open(),read(),write()等函数时，系统能找到驱动对应的xxx_open(),xxx_read(),xxx_write()函数，代码如下：

//关键函数绑定（结构体）
static struct file_operations drv_key_fops=
{
    .owner = THIS_MODULE,
    .write = drv_keyled_write,
    .read = drv_keyled_read,
    .open = drv_keyled_open,

};

//初始化、卸载函数绑定(宏)
module_init(drv_keyled_init);
module_exit(drv_keyled_exit);

5.关键驱动函数编写——初始化和卸载函数（即drv_keyled_init，drv_keyled_exit）。

初始化函数主要实现功能如下几点：（卸载函数与初始化函数相反，略述）

• 向内核注册驱动，即将结构体绑定的关键函数告诉内核，同时从内核中获取主设备号：major，主设备号用于应用程序对具体哪个驱动的识别。
• 创建类和类设备，运行后，系统能自动创建设备文件：/dev/keyled，相当于应用层上手动完成“mknod“命令操作。
• 物理地址映射到虚拟地址VA（ioremap函数），由于系统开启了MMU，因此程序都是在虚拟地址运行，如果要完成指定寄存器的控制，就需要将该寄存器的物理地址进行映射，通过虚拟地址完成寄存器控制。

初始化和卸载函数调用方法：

• 当应用层运行命令“insmod”进行驱动装载时，系统自动调用初始化函数。
• 当应用层运行命令“rmmod”进行驱动卸载时，系统自动调用卸载函数。

源码如下：

/*
函数名：drv_keyled_init
功能：初始化模块功能（insmod装载驱动时调用）
*/
static int drv_keyled_init(void)
{

    //注册主设备号，由fops结构体告诉内核绑定的函数
    major = register_chrdev(0, "drv_keyled", &drv_key_fops);

    //创建类
    drv_keyled_class = class_create(THIS_MODULE, "drv_keyled");
    //创建类设备
    drv_keyled_class_device = class_device_create(drv_keyled_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "keyled");//   "/dev/keyled"

    //虚拟地址VA映射
    gpiof_con = (unsigned long*)ioremap(0x56000050, 12); //映射物理地址的起始地址与长度,返回虚拟地址
    gpiof_data =  gpiof_con+1;//地址在类型长度上加1（即+4地址）

    gpiog_con = (unsigned long*)ioremap(0x56000060, 12); //映射物理地址的起始地址与长度,返回虚拟地址
    gpiog_data =  gpiog_con+1;

    return 0;
}

/*
函数名：drv_keyled_exit
功能：卸载模块功能（rmmod卸载驱动时调用）
*/
static void drv_keyled_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major, "drv_keyled");
    class_device_unregister(drv_keyled_class_device);
    class_destroy(drv_keyled_class);

    iounmap(gpiof_con);
    iounmap(gpiog_con);

}

6.关键驱动函数编写—–xxx_open()，xxx_read()等函数（即drv_keyled_open，drv_keyled_open等）。

该部分的编写是编写驱动源码的核心内容，实现了对寄存器配置与控制操作。当应用层调用open()，read(),系统就得调用这些对应的函数，因此，这些函数里的内容以及要实现什么样的功能，由用户自行发挥。该实验将这些函数定义成如下功能：

• drv_keyled_open(): 实现按键和LED的引脚配置与初始化操作。
• drv_keyled_read(): 实现对按键电平状态的读取。
• drv_keyled_write(): 实现对LED灯的亮灭控制。 （注：实验只用到了open，read，write三个常用函数，系统其实还提供了很多其他函数，可以见file_operations结构体里的内容）

源码如下：

/************驱动关键函数实现************/
/*
函数名：drv_keyled_open
功能：配置引脚功能
*/
int drv_keyled_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    char key_dat=1;
    printk("drv_keyled_open2\n");

    //GPF4.5.6
    *gpiof_con |= (1<<2*4) | (1<<2*5) | (1<<2*6) ;    //led 输出
    *gpiof_data &= ((~(1<<4)) & (~(1<<5)) & (~(0<<6)));      //初始化2个点亮

    //GPG3,GPP0,GPP2
    *gpiog_con |= (0x3<<2*11) ;    //按键

    return 0;
}


/*
函数名：drv_keyled_write
功能：控制led亮灭，实现反转
*/
static ssize_t drv_keyled_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{
    unsigned char key_data[2]={1,1};
    Uint32 data=*gpiof_data;

    //测试：读取用户传入的按键值
    copy_from_user(key_data, buf, count);
    printk("kernel:the key is:%d , %d\n",key_data[0] ,key_data[1] ); //检验用户空间传输的按键值

    //实现反转led电平（反转指定位电平同时其他的位不影响）
    *gpiof_data |= (1<<4) | (1<<5) |(1<<6);
    *gpiof_data &= ~(data & ((1<<4) | (1<<5) |(1<<6))); //

    return 0;

}

/*
函数名：drv_keyled_read
功能：读key电平
*/
static ssize_t drv_keyled_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    unsigned char key_data[2]={1,1};
    unsigned char keybuf=0;

    if(size != sizeof(key_data))//用户空间（应用程序）要读取的字节与内核空间存的字节数一致
    {
        printk("read size has err\n");
        return -EINVAL; //返回错误
    }

    //把读取的按键值发给用户空间（应用端）
    key_data[0] = (*gpiof_data & (1<<0)) ? 1 : 0;
    key_data[1] = (*gpiog_data & (1<<3)) ?  1 : 0;

    if( key_data[0] == 0)
    {
         printk("key1 press \n");
        while(!keybuf)//按下弹出
        {
          keybuf= (*gpiof_data & (1<<0)) ? 1 : 0;
        }

    }
    if( key_data[1] == 0)
    {
        printk("key2 press \n");
        while(!keybuf)//按下弹出
        {
          keybuf= (*gpiog_data & (1<<3)) ? 1 : 0;
        }

    }

    copy_to_user(buf, key_data, sizeof(key_data));//copy_to_user(用户空间，内核空间，字节数)

    return sizeof(key_data);
}

用户空间与内核空间进行消息传递的关键函数：copy_from_user()和copy_to_user()。

• copy_from_user():通常在xxx_write()函数内调用，实现用户空间的数据到内核空间的传递，传递的数据存在buf的形参中。copy_from_user()可以将buf中的数据读出来。

• copy_to_user(): 通常在xxx_read()函数内调用，实现用户空间读取内核空间的数据，copy_to_user()是将内核里的数据存于buf中，提供用户层read()的读取。

7.声明驱动（模块的许可证声明），声明后，某块才能被正常安装到系统内核。固定格式如下：

MODULE_LICENSE(“GPL”);

8.编写驱动的makefile文件
同样地，找一写好的驱动makefile模板，修改主机上存储开发板的linux源码目录（第一行），并更改obj-m选项（最后一行），代码如下：

KERN_DIR = /work/mysystem/linux-2.6.22.6

all:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 

clean:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
    rm -rf modules.order

obj-m   += drv_keyled.o

obj-m的主要功能：将驱动代码编译成模块（.ko文件），与obj-m对立的是：obj-y，是将代码直接编译到内核中。

---

应用测试程序编写

1.新建以应用程序文件，名为：keyled_test.c ，同样找一应用程序模板，把必要头文件包含进来，如下：

#include 
#include 
#include 
#include 

2.编写内容，根据驱动提供的几个关键函数功能，用户层需要调取这些功能函数，完成最终实现。实验目的是按下按键，反转LED灯，因此需要调用read函数,读出内核传递过来的数据（按键值），根据按键值是否按下，调用write函数，实现对led控制。
程序开始需要通过设备文件，打开对应的驱动，然后返回一句柄fd，程序可以通过fd完成设备的读写操作。

形参：int argc, char **argv的作用：

当系统启动应用程序时，可以在启动程序文件的后面加上要传入的参数，这些参数就会传进int argc, char **argv的形参中，其中：
（注：文件名的本身也是个参数，因此参数至少1个，启动程序文件方式见后面操作）

• argc:显示的是传入参数的个数
• 指针argv[i]:显示第i个参数的字符串内容

源码如下：

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    unsigned char key_data[2]={1,1};

    fd = open("/dev/keyled", O_RDWR);  //应用端通过识别设备文件来识别驱动
    if (fd < 0)
    {
        printf("can't open!\n");
    }


    if(argc == 2)//argc[0]为文件名本身
    {
        printf("argv=%s\n",argv[1]);
    }
    else if(argc == 3)
    {
        printf("argv=%s , %s\n",argv[1],argv[2]);
    }

    printf("hello word fd=%d\n",fd);

    while(1)
    {

        read(fd,key_data,sizeof(key_data));
        if(key_data[0] == 0 || key_data[1] == 0)
        {
            printf("user:k1=%d k2=%d\n",key_data[0],key_data[1]);//检验内核到用户空间的数据传输
            write(fd,key_data,sizeof(key_data));
        }

    }

    return 0;

}

3.测试程序的makefile
采用arm-linux-gcc编译器进行编译，生成可执行程序文件keyled_test ，内容如下：

CROSS.=arm-linux-

keyled_test : keyled_test.c
    $(CROSS)gcc -o  $@  $<
clean:
    rm keyled_test

装载驱动程序与运行测试程序

make编译驱动模块以及测试程序后，分别生成.ko文件和可执行文件，这两个文件需要存放在根文件系统上，分为完成驱动装载和运行测试程序。
开发板挂载根文件系统，通常采用NFS网络方式直接挂载到PC主机上，简单方便，并大大减少程序调试时间，但是笔者由于路由器问题，无法建立主机和开发板的网络连接，只能采用直接下载根文件系统到开发板上运行勒，很麻烦，每一次调试都得重新下一次，简直崩溃o(╥﹏╥)o，下面是驱动装载与测试程序运行具体步骤：

1.在制作好的根文件系统上新建以任意名称的文件夹：/moduel，将.ko文件和应用程序执行文件存在该目录中。

2.如果采用NFS挂载方式，可以省略此步。该步主要将文件系统下载在开发板中，因此需要在主机上把制作好的根文件系统转成映像文件（采用mkyaffs2image工具），然后由dnw工具，通过usb方式 下载到开发板中。（篇幅有限，具体过程略述啦^_^，能用NFS最好咯）。

3.启动开发板（uboot，kernel，文件系统都下载并装载好），操作系统启动后，在终端上进行驱动装载（关键命令：insmod），如下：

insmod为驱动装载，lsmod为查看装载情况

4.运行测试程序，如下图所示，图中可以观察到如下几个结论：

• 运行的程序名称后可加传入的参数，如图所示的参数为：“iu”和“tr”。
• 按下按键时，可以终端打印出相关信息，这些信息都是编写程序时实现的。
• 图中显示的kernel：…. 和user：…. 分别是内核空间与用户空间之间传递的数据信息，可以看出它们传递的数据是按键值，并且结果正确的。

4.开发板测试结果，激动人心的当然是开发板的实际运行效果啦，随着两个按键的任意按下，3个LED等就会翻转，看看效果(^▽^)：

---

其它工作：驱动卸载与设备、进程查看等

1.查看设备与设备文件。设备显示在/proc/devices虚拟文件系统内，设备文件可以在/dev目录下查看。
可以看出主设备号为252，次设备号为0

2.查看当前测试程序的进程和cpu占有率，此时启动的应用程序需要在后台运行（末位加上&字符），才能到前端查看进程和cpu占有率。
可以看出：进程号为791，cpu占有率为98%。

1.驱动卸载（从内核中卸载掉该驱动）与关闭进程（退出测试程序运行，通过进程号关闭）。