Linux系统认知——驱动认知

一、驱动相关概念

1.什么是驱动

Linux内核驱动:是指一段代码，这段代码可以驱动底层硬件，即驱动就是对底层硬件设备的操作进行封装，并向上层提供函数接口。

2.被驱动设备分类

• 字符设备：
  指只能一个字节一个字节读写的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据，读取数据需要按照先后顺序。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED设备等，字符设备驱动程序通常至少要实现open、close、read和write的系统调用，字符终端（/dev/console）和串口（/dev/ttyS0以及类似设备）就是两个字符设备，它们能很好的说明“流”这种抽象概念。
• 块设备：
  指可以从设备的任意位置读取一定长度数据的设备。块设备包括硬盘、磁盘、U盘和SD卡等。
• 网络设备：
  网络设备可以是一个硬件设备,如网卡; 但也可以是一个纯粹的软件设备, 比如回环接口(lo).一个网络接口负责发送和接收数据报文。

3.设备文件的主设备号和次设备号

Linux的设备管理是和文件系统紧密结合的，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为设备文件，应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件，完成对设备的操作，就像操作普通的数据文件一样。为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备号又分为主设备号和次设备号。主设备号用来区分不同种类的设备，而次设备号用来区分同一类型的多个设备。
一个字符设备或者块设备都有一个主设备号和次设备号。主设备号和次设备号统称为设备号。主设备号用来表示一个特定的驱动程序。次设备号用来表示使用该驱动程序的各设备。例如一个嵌入式系统，有两个LED指示灯，LED灯需要独立的打开或者关闭。那么，可以写一个LED灯的字符设备驱动程序，可以将其主设备号注册成5号设备，次设备号分别为1和2。这里，次设备号就分别表示两个LED灯。
设备文件通常都在 /dev 目录下。

设备号的作用：
在内核空间中，存在一个驱动链表管理所用设备的驱动。驱动链表主要有两个功能，分别为添加（编写完驱动程序，加载到内核）功能和查找（调用驱动程序）功能。在这些过程中，驱动插入链表的顺序由设备号检索，这便是设备号的主要作用。

4.设备驱动整体调用过程

（1）C语言上层调用open函数。open(“dev/pin4”,O_RDWR);调用/dev下的pin4以可读可写的方式打开。对于上层open调用到内核时会发生一次软中断中断号是0X80，从用户空间进入到内核空间
（2）open会调用到system_call(内核函数)，system_call会根据/dev/pin4设备名，去找出需要的设备号。
（3）再调到虚拟文件VFS ,调用VFS里的sys_open，sys_open会找到在驱动链表里面，根据主设备号和次设备号找到引脚4里的open函数，引脚4里的open是对寄存器操作及对硬件的操作。

二、基于框架编写驱动代码

1.驱动代码框架

#include 		 //file_operations声明#include     //module_init  module_exit声明
#include       //__init  __exit 宏定义声明
#include     //class  devise声明
#include    //copy_from_user 的头文件
#include      //设备号  dev_t 类型声明
#include           //ioremap iounmap的头文件


static struct class *pin4_class;  
static struct device *pin4_class_dev;

static dev_t devno;                //设备号
static int major =231;             //主设备号
static int minor =0;               //次设备号
static char *module_name="pin4";   //模块名





static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
    printk("pin4_open\n");  //内核的打印函数和printf类似
    return 0;
}


static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
    printk("pin4_write\n");
    return 0;
}
static struct file_operations pin4_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = pin4_open,//当应用层调用open函数时，内核会调用pin4_open.
    .write = pin4_write,//当应用层调用write函数时，内核会调用pin4_write.
};

int __init pin4_drv_init(void)  //真实的驱动入口
{

    int ret;
    devno = MKDEV(major,minor);  //创建设备号
    ret   = register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops);  //注册驱动  告诉内核，把这个驱动加入到内核驱动的链表中

    pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");//由代码在dev下自动生成设备
    pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);  //创建设备文件

 
    return 0;
}

void __exit pin4_drv_exit(void)
{

    device_destroy(pin4_class,devno);
    class_destroy(pin4_class);
    unregister_chrdev(major, module_name);  //卸载驱动

}

module_init(pin4_drv_init);  //入口
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");`  

2.驱动代码的编译和测试

（1）进入Linux源码树目录下的驱动目录，因为驱动的是字符设备，所以进入的是驱动目录下的char目录。/home/zh/SYSTEM/linux-rpi-4.14.y/drivers/char

（2）将驱动代码放到上述目录下

（3）修改Makefile文件
在字符驱动目录下 打开Makefile文件，并以模块的方式将驱动载入：

（4）模块编译
进入源码树目录进行模块化编译，键入

 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make modules

（5）将编译好的驱动模块传到树莓派中

scp ./drivers/char/pin4driver.ko pi@192.168.169.221:/home/pi

加载内核驱动模块,在dev/目录下生成pin4驱动

 sudo insmod pin4driver.ko
 rmmod  pin4driver.ko //卸载驱动模块

（6）给pin4驱动加权限

sudo chmod 666 /dev/pin4

（7）驱动程序测试
pin4test.c

 #include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char const *argv[])
{
	/* code */
	 int fd;
	fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);
	write(fd,"hello",strlen("hello"));
	return 0;
}

执行测试程序后用dmesg 查看内核打印信息发现打印了驱动函数的内容

三、树莓派I/O口驱动的编写

这里以驱动树莓派pin4引脚置0或置1为例。

1.微机的总线地址、物理地址、虚拟地址介绍

（1）总线地址
地址总线（Address Bus）是一种计算机总线，是CPU或有DMA能力的单元，用来沟通这些单元想要访问（读取/写入）计算机内存组件/地方的物理地址。
地址总线决定了cpu所能访问的最大内存空间的大小，即cpu能访问的内存范围。
比如：装了32位的win 7 系统，内存8G，可系统最大只能识别3.29G，所以要使用4G以上大内存就要用windows x64位系统。装了32位的操作系统CPU的访问范围是2^32 bit,就是4194304kbit，就是4G。树莓派也是32位 ，一个G的内存，但它只能访问949M，剩下的另作他用。
（2）物理地址
在存储器里以字节为单位存储信息，为正确地存放或取得信息，每一个字节单元给以一个唯一的存储器地址，称为物理地址（Physical Address），又叫实际地址或绝对地址。

物理地址它是在地址总线上，以电子形式存在的，使得数据总线可以访问主存的某个特定存储单元的内存地址。在和虚拟内存的计算机中，物理地址这个术语多用于区分虚拟地址。尤其是在使用内存管理单元（MMU）转换内存地址的计算机中，虚拟和物理地址分别指在经MMU转换之前和之后的地址。
（3）虚拟地址
虚拟地址顾名思义即为逻辑地址（基于算法的地址）。

CPU启动保护模式后，程序运行在虚拟地址空间中。注意，并不是所有的“程序”都是运行在虚拟地址中。CPU在启动的时候是运行在实模式的，Bootloader以及内核在初始化页表之前并不使用虚拟地址，而是直接使用物理地址的。
如果CPU寄存器中的分页标志位被设置，那么执行内存操作的机器指令时，CPU（准确来说，是MMU，即Memory Management Unit，内存管理单元）会自动根据页目录和页表中的信息，把虚拟地址转换成物理地址，完成该指令。
使用了分页机制之后，4G的地址空间被分成了固定大小的页，每一页或者被映射到物理内存，或者被映射到硬盘上的交换文件中，或者没有映射任何东西。对于一般程序来说，4G的地址空间，只有一小部分映射了物理内存，大片大片的部分是没有映射任何东西。物理内存也被分页，来映射地址空间。

2.通过树莓派芯片手册确定需要配置的寄存器

在BCM2835芯片手册的第六章描述了General Purpose I/O (GPIO)外设相关寄存器。
这里驱动pin4引脚需要用到的寄存器有：
1.GPIO Function Select Registers (GPFSELn) 功能选择寄存器：

该寄存器共有五组，每个寄存器都有32位，以GPIO Alternate function select register 0为例，其中：
29-0位 ：每三位对于一个引脚，比如29-27对应的是GPIO Pin 9,26-24对应的是GPIO Pin 8，且这三位取不同的值代表该三位对应的引脚选择不同的功能。比如，当29-27位为000时表示GPIO Pin 9是输入功能，29-27位为001时表示GPIO Pin 9是输出的功能。
2.GPIO Pin Output Set Registers (GPSETn) 置位寄存器：

该寄存器共两组，每个寄存器都有32位，将寄存器某一位置1即将对应的引脚置1。
3.GPIO Pin Output Clear Registers (GPCLRn) 清0寄存器：
与置位寄存器用法一至，将对应位数引脚置0.
4.所需寄存器的地址说明
在编写驱动程序时，IO空间的起始地址位0X3F000000，加上GPIO的偏移量0X200000，因此GPIO的物理地址是从0X3F200000开始的，而编程所需的地址是虚拟地址，需要通过MMU内存虚拟化管理将地址映射到虚拟地址上

3.根据驱动框架编写树莓派Pin4引脚的驱动

驱动代码
pin4driver.c

#include 		 //file_operations声明
#include     //module_init  module_exit声明
#include       //__init  __exit 宏定义声明
#include     //class  devise声明
#include    //copy_from_user 的头文件
#include      //设备号  dev_t 类型声明
#include           //ioremap iounmap的头文件


static struct class *pin4_class;  
static struct device *pin4_class_dev;

static dev_t devno;                //设备号
static int major =231;             //主设备号
static int minor =0;               //次设备号
static char *module_name="pin4";   //模块名


//首先定义所要用的寄存器，为了防止地址被编译器优化需要用到volatile关键字
volatile unsigned int *GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int *GPSET0 = NULL;
volatile unsigned int *GPCLR0 = NULL;

static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
    printk("pin4_open\n");  //内核的打印函数和printf类似

    //配置引脚4的寄存器，将其配置为输出模式,即将GPFSEL0寄存器的第14-12位配置成001
    *GPFSEL0 &= 0XFFFF9FFF;  //将第14,13位置0
    *GPFSEL0 |= 0X00001000; //将第12位置1
    return 0;
}


static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
    int usercmd;
    printk("pin4_write\n");
    copy_from_user(&usercmd,buf,count);//获取应用层write函数写入的内容
    if(usercmd == 1){
        printk("set 1\n");
        *GPSET0 |=(0x1 << 4); //将Pin4引脚置1
    }else if (usercmd == 0)
    {
        printk("set 0\n");
        *GPCLR0 |=(0X1 << 4);//将Pin4引脚置0
    }else{
        printk("undo\n");
    }
    return 0;
}

static struct file_operations pin4_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = pin4_open,//当应用层调用open函数时，内核会调用pin4_open.
    .write = pin4_write,//当应用层调用write函数时，内核会调用pin4_write.
};

int __init pin4_drv_init(void)  //真实的驱动入口
{

    int ret;
    devno = MKDEV(major,minor);  //创建设备号
    ret   = register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops);  //注册驱动  告诉内核，把这个驱动加入到内核驱动的链表中

    pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");//由代码在dev下自动生成设备
    pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);  //创建设备文件

    GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0X3f200000,4);//需要将物理地址映射位虚拟地址 ipremap第一个参数需要被映射的物理地址。第二个参数位映射的字节数
    GPSET0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0X3f20001C,4);//通过芯片手册可以看到该寄存器在基础地址上偏移了1C
    GPCLR0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0X3f200028,4);//通过芯片手册可以看到该寄存器在基础地址上偏移了28
    return 0;
}

void __exit pin4_drv_exit(void)
{

    iounmap(GPFSEL0);
    iounmap(GPSET0);
    iounmap(GPCLR0);
    device_destroy(pin4_class,devno);
    class_destroy(pin4_class);
    unregister_chrdev(major, module_name);  //卸载驱动
}

module_init(pin4_drv_init);  //入口
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

测试代码（）：
pin4test.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char const *argv[])
{
        int fd,cmd;
        fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);
        printf("inout 0 ro 1 , 0 :Pin4 Set 0,1:Pin4 Set 1\n");
        scanf("%d",&cmd);

        printf("cmd = %d \n",cmd);
        write(fd,&cmd,1);
        return 0;
}

将驱动代码编译后生成驱动模块放置在树莓派上进行测试

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make modules

将生成的驱动模块拷贝至树莓派

scp ./drivers/char/pin4driver.ko [email protected]:/home/pi

在树莓派上安装驱动并给驱动权限

sudo insmod pin4driver.ko
sudo chmod 666 /dev/pin4

运行测试程序：