Linux驱动开发笔记

疑问
file_operation中每个操作函数的形参中inode的作用

设备树中compatible属性中厂商和型号如何填写

file_operation定义了Linux内核驱动的所有的操作函数，每个操作函数与一个系统调用对应，对于字符设备来说，常用的函数有：llseek、read、write、pool等等，这些操作函数都要需要完成实现。

为实现“高内聚，低耦合”的软件设计理念，Linux驱动采用了内核加载的方式，将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko)，在Linux 内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块，用“rmmod”命令卸载具体驱动模块，相应地需要注册模块加载函数和模块卸载函数。

module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数

对于字符设备驱动而言，当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备，同样，卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。输入命令“cat /proc/devices”可以查看当前已经被使用掉的设备号

wangchenxiao@sdc-uvdise057:~$ cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
 ····
Block devices:
  2 fd
 ····

Linux 中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成，主设备号表示某一个具体的驱动，次设备号表示使用这个驱动的各个设备，设备号由dev_t数据类型描述，是一个32位的数据类型，中高 12 位为主设备号，其范围为 0~4095，所低 20 位为次设备号
Linux中每个设备号是独一无二的，申请新的设备号不能与已有的设备号重复，为避免冲突，使用alloc_chrdev_region和d unregister_chrdev_region动态申请和注销设备号

1.使用insmod或modprobe加载驱动模块。可以通过lsmod查看当前系统中存在的模块，模块加载后会注册设备，然后可以通过cat /proc/devices查看当前系统中存在的设备。
2.使用mknod创建设备对应的设备节点文件。通过ls /dev查看当前系统中的设备节点文件。设备节点文件是设备在用户空间中的实现，在应用程序中可以通过设备节点文件操作该设备。
3.不再使用该设备后，通过rmmod卸载设备。

MMU（内存管理单元）完成虚拟内存到物理内存的映射和内存保护的功能。可以通过ioremap完成物理内存地址到虚拟内存地址的映射，相应在卸载内存时需要通过unremap释放虚拟内存的映射，在获得指向虚拟内存地址的指针后，可以通过readb、readw、readl和writeb、writew、writel对内存进行读写操作

设备树

设备树通过树形数据结构描述板级设备信息，将板级信息从内核中分离出来，提升Linux驱动的灵活性。
通常SOC可以制作多个板子，SOC的信息对于这些板子来说是相同的，因此可以类似于C语言中的头文件，将这些共同的信息提取出来作为一个通用的dtsi文件，其他的dts文件引用该文件，并针对不同的设备进行相应的修改即可。
设备树compatible属性用于设备和驱动的绑定，指定该设备对应的驱动，而驱动模块中的of_device_id列表定义了该驱动对应的设备，设备首先按照先后顺序在内核里查找驱动模块，如果完成匹配则调用驱动的probe函数，完成初始化工作。在根节点中，compatible属性用于指定设备和SOC名称，Linux内核中由DT_MACHINE_START和MACHINE_END所定义的machine_desc 结构体中有个dt_compat 成员变量，其中保存了内核支持的设备，如果设备树中根节点下的compatible属性与dt_compat匹配，则表示Linux内核支持该设备，该开发板可以正常启动Linux内核

pinctrl和gpio子系统

疑问：

用途：在裸机驱动开发中，设备的引脚和gpio通过设置相应的寄存器进行配置，在Linux驱动开发中引入了pinctrl和gpio子系统，通过在设备树中添加节点并完成引脚复用，电气等相应属性的配置，即可在驱动程序中通过提供的API函数完成引脚和gpio驱动的开发工作。

在设备树的外设节点下创建pinctrl节点，例如

pinctrl_led: ledgrp {
 fsl,pins = <
  MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0x10B0 /* LED0 */
 >;
};

fsl,pins属性通过宏定义MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 将GPIO1_IO03复用为GPIO1_IO03，并设置电气属性为0X10B0。

再设备树的根节点下创建gpio对应的外设节点

gpioled {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
compatible = "atkalpha-gpioled";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_led>;
led-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
status = "okay";
}

pinctrl-0属性设置了该节点对应的pintrcl节点，led-gpio属性设置了该设备对应的gpio节点信息，通过该属性可以获得GPIO编号

在驱动文件中
在设备结构体中定义GPIO编号
在初始化函数中根据of_find_node_by_path获得设备节点，通过of_get_named_gpio获得设备gpio编号，设置gpio输出输入属性
在写入函数中，通过gpio_set_value设置gpio的输出值。

Linux并发与竞争

原子变量：该变量的赋值和读取为原子操作
自旋锁：加锁后其他线程无法访问临界区，会处于忙等状态，因此适用于临界区耗时不长的场景。
信号量/互斥体：其他线程无法访问临界区时会进入休眠状态，进行上下文切换，适用于临界区较为耗时的场景。
同时只允许一个进程打开设备
通过在设备结构体中设置原子变量，初始化时设置该设备的原子变量为1，打开设备时原子变量减一，并判断是否小于零，若小于零则打开失败，关闭设备时原子变量加一。
在设备结构体中定义整形变量表示该设备是否使用，并定义自旋锁保护该变量，在初始化函数中初始化自旋锁，在打开设备时变量加一，如果变量大于零打开失败，关闭设备时变量减一，注意在对变量进行读写时需要通过自旋锁进行保护。
在设备结构体中定义信号量，在初始化函数中初始化信号量为1，在打开函数中获取信号量，若此时信号量为0则打开失败，在关闭函数中释放信号量。
在设备结构体中定义互斥体，在设备初始化函数中初始化互斥体，在打开设备函数中获取互斥体，如果获取互斥体失败则打开文件失败，在关闭函数中释放互斥体。

Linux内核定时器

Linux通过硬件定时器湖区时钟源，该时钟源的频率被称为系统频率或节拍率，该频率可以在编译LInux内核的时候设置。Linux 内核使用全局变量 jiffies 来记录系统从启动以来的系统节拍数，系统启动的时候会将 jiffies 初始化为 0
在设备结构体中定义timer_list定时器结构体，在初始化函数中初始化定时器，添加超时时间和处理函数，并注册定时器，开始定时功能，在关闭函数中删除定时器。

Linux中断

裸机中断系统？
设备树中通过interrupt-parent指定相应的gpio中断控制器，通过interrupts设置引脚号和中断出发标志。gpio中断控制器节点中，通过interrupts设置该gpio中断源信息
在驱动文件的设备结构体中定义中断IO描述结构体，其中包含gpio、终端号、中断服务函数，名字等信息。通过of_get_named_gpio提取gpio号，然后根据irq_of_parse_and_map从设备树中获取中断号，完成中断处理函数后，通过request_irq完成中断的申请。在关闭函数中，释放中断号

阻塞和非阻塞IO

当应用程序对设备驱动进行操作的时候，如果不能获取到设备资源，那么阻塞式 IO 就会将应用程序对应的线程挂起，直到设备资源可以获取为止。对于非阻塞 IO，应用程序对应的线程不会挂起，它要么一直轮询等待，直到设备资源可以使用，要么就直接放弃，设备驱动文件的默认读取方式就是阻塞式的，若要通过非阻塞方式打开，则需要再open函数中传入O_NONBLOCK

通过等待队列实现阻塞IO
在设备结构体中添加等待队列头结构体

平台设备驱动

在Linux内核中包含了大量驱动代码，因此必须提高驱动的可重用性。
驱动的分离：采用驱动、总线、设备信息模型，将设备信息从设备驱动中剥离开来，驱动使用标准方法去获取到设备信息，后根据获取到的设备信息来初始化设备，即于驱动只负责驱动，设备只负责设备，想办法将两者进行匹配即可。

驱动的分层:分层的目的也是为了在不同的层处理不同的内容。
定义platform_driver结构体，在其中设置驱动名称name，表示/sys/bus/platform/drivers/目录下的驱动名称，设备树匹配表of_match_table，用于和设备树中的compatible属性匹配，probe函数用于设备和驱动完成匹配时的执行，remove函数。
在初始化函数中通过platform_driver_register注册platform_driver结构体，在卸载函数中通过platform_driver_unregister卸载platform_driver结构体，
在probe函数中完成初始化，在remove函数中完成卸载。

misc驱动

misc为杂项驱动，主设备号为10。misc_register会完成申请设备号、初始化cdev、添加cdev、创建类、创建设备等操作，misc_registe会完成删除cdev、注销设备号、删除设备、删除类等操作

input子系统

Linux为输入设备创建的框架，统分为 input 驱动层、input 核心层、input 事件处理层。

首先在设备结构体定义一个input_dev指针，然后通过 input_allocate_device函数申请一个input_dev结构体，然后设置该结构体的名称，事件类型和事件值，然后通过input_register_device向Linux内核注册结构体，卸载驱动模块时需要通过input_unregister_device和input_free_device注销和删除设备。然后向input_eventLinux上报事件

LCD
驱动文件基本无需更改，可以在设备树中修改相应的参数

I2C驱动

I2C驱动分为总线驱动和设备驱动。I2C总线驱动也被称为I2C控制器驱动或I2C适配器驱动，SOC的I2C总线驱动一般由半导体厂商编写，不需用户编写。I2C设备驱动针对不同的设备进行编写，是I2C驱动的重点。
与platform_driver驱动框架类似，首先需要定义i2c_driver，并定义其中的probe和remove函数，以及of_match_table设备树匹配列表，并完成设备树匹配列表中的compatible属性的定义，在驱动模块初始化函数中通过i2c_add_driver注册i2c_driver，在驱动模块卸载函数中通过i2c_del_driver注销i2c_driver，在probe函数中完成初始化工作，在remove函数中完成卸载工作。
在设备结构体中定义void*类型的private_data类型的指针，在probe函数中指向i2c_client结构体，之后即可通过设备结构体中的private_data指针获取client结构体，client结构体包含了芯片地址和adapter结构体。i2c_client 就是描述设备信息，每检测到一个 I2C 设备就会给这个 I2C 设备分配一个i2c_client。Linux 内核将 SOC 的 I2C 适配器(控制器)抽象成 i2c_adapter，其中包含i2c_algorithm，定义了C 适
配器与 IIC 设备进行通信的方法。i2c_msg定义了I2C通信的消息，其中定义了从机地址、消息数据、消息长度、标志位。
I2C读数据需要定义两个i2c_msg，第一个i2c_msg描述了读取寄存器的首地址，第二个i2c_msg描述了读取寄存器的数据，I2C写数据需要定义一个256长度的u8数组，首先保存寄存器的首地址，然后保存需要发送的数据，最后调用i2c_transfer完成数据的读写操作。

SPI驱动

SPI驱动和I2C驱动类似，分为主机驱动和设备驱动，其中主机驱动一般由SOC厂商编写，因此通常需要实现设备驱动。
首先需要定义SPI驱动结构体spi_driver，定义设备树匹配列表，在其中定义compatible属性，定义probe函数，在其中设置spi_device的mode属性，并通过spi_setup完成设备的初始化工作，定义remove函数，完成设备的卸载工作，在初始化函数中通过spi_register_driver注册spi_driver，在卸载函数中通过spi_unregister_driver注销spi_driver。
spi_transfer定义了SPI传输中的数据，其中tx_buf定义了发送数据，rx_buf定义了接收数据，len定义了长度，然后需要定义spi_message，并通过spi_message_init完成初始化，通过spi_message_add_tail将spi_transfer添加至spi_message中，最后通过spi_sync发送
对于SPI读取数据来说，首先要片选拉低，发送需要读取的寄存器地址，然后读取数据，最后拉高片选；对于SPI写数据来说，首先片选拉低，发送需要读取的寄存器地址，然后发送数据，最后拉高片选。

UART驱动框架

串口驱动没有什么主机端和设备端之分，就只有一个串口驱动，通常由SOC厂商完成编写，只需要在设备树中添加串口节点信息，系统启动以后串口驱动和设备匹配成功，相应的串口就会被驱动。

电容触摸屏驱动

电容屏驱动框架
1、电容触摸屏是通过I2C接口与主机通信的，因此需要I2C驱动作为整体框架
2、触摸IC提供中断信号引脚来获得中断触摸信息，因此需要申请中断号，并注册中断处理函数
3、触摸屏幕会产生坐标、按下抬起信息，需要通过input子系统向Linux内核上报信息
4、需要通过MT协议上报触摸屏幕信息，一般来说，对于支持多点电容触摸的屏幕使用Type B类型的MT协议

首先在probe函数中，通过input_mt_init_slots对input_dev进行SLOT的初始化，并指定触摸点的数量。
申请中断号，并在Linux内核中注册中断处理函数。在中断处理函数中通过I2C读取寄存器数据，获得每个触摸点的信息，首先通过input_mt_slot上报触摸点的ID，然后通过input_mt_report_slot_state上报触摸类型，一般是MT_TOOL_FINGER，然后通过input_report_abs上报xy坐标信息。所有触摸点的信息上班完成后，通过input_mt_report_pointer_emulation上报追踪到的触摸点数量是否多余当前上报的触摸点数量，最后由input_sync宣布事件上报结束