为linux3.4.2内核编写LED驱动
开发环境
- JZ2440 V3开发板
- Linux-3.4.2内核
- 宿主机：Ubuntu 16.04_64位
- 交叉编译器：arm-linux-gcc （version 4.3.2 )
1、linux字符设备驱动框架
- 用户应用程序通过调用C库里已经实现的 open 、read、write等库函数来操作文件（在Linux中，一切皆文件，所有硬件设备在内核看来均是文件）。
- 库函数（open等）的调用引发操作系统（Linux 内核）产生一个异常中断（软中断：swi val），于是CPU控制权交给内核，进入内核异常处理。
- 内核根据发生中断的原因（中断号），调用相应处理函数（sys_open，sys_read等）。
- sys_open等函数会根据中断类型，调用相关设备（字符设备、块设备、网络设备等）的驱动程序里的相应函数，如led_open，led_read等。
一个简单的字符驱动程序框架主要包括以下几个部分：
-
与C库函数相对应的设备操作函数，例如led_open，led_read等
static int first_drv_open(struct inode *inode, struct file *file) { printk("first_drv_open\n"); return 0; } static ssize_t first_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos) { printk("first_drv_write\n"); return 0; } -
用一个结构体封装上述函数
static struct file_operations first_drv_fops = { .owner = THIS_MODULE, /* 指向编译模块时自动创建的__this_module变量的宏 */ .open = first_drv_open, .write = first_drv_write, }; -
通过驱动注册函数将上述结构体告知内核，使设备的各种操作函数与库函数对应起来
int major; //主设备号 static int first_drv_init(void) { major = register_chrdev(0, "first_drv", &first_drv_fops); // 注册, 告诉内核 firstdrv_class = class_create(THIS_MODULE, "firstdrv"); firstdrv_class_dev = device_create(firstdrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "xyz"); /* /dev/xyz */ printk("first_drv_init\n"); return 0; } static void first_drv_exit(void) { unregister_chrdev(major, "first_drv"); // 卸载 }- 以下两个函数实现了在内核中加入设备信息，mdev就可以根据/sys下生成的设备信息，自动创建设备节点:
- class_create会在/sys下创建 firstdrv这个类，
- firstdrv_class_dev会在firstdrv类下创建xyz这个设备，
- mdev会自动创建一个dev/xyz设备节点。
- 以下两个函数实现了在内核中加入设备信息，mdev就可以根据/sys下生成的设备信息，自动创建设备节点:
-
指定模块加载函数、卸载函数和授权信息等
module_init(first_drv_init);
module_exit(first_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
当用户应用程序使用open函数打开某个设备（/dev/led）的时候，系统首先查看出该设备是字符设备，然后根据其主设备号，去字符设备文件操作指针数组中找到对应的file_operation结构体地址。
驱动注册的过程就是上述过程的逆过程：创建设备的主、次设备号major、minor，并以major为索引，将设备的file_operation结构体指针写进设备对应的文件操作指针数组中去，实现注册。
- Makefile编写
KERN_DIR = /home/leon/linux-3.4.2 //宿主机上编译到开发板上的linux内核的根目录
all:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
clean:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
rm -rf modules.order
obj-m += first_drv.o
- 编译驱动模块
驱动编译依赖于内核文件，因此需要解压内核源码后再编译。
并且使用的交叉编译工具也要和编译内核镜像uImage文件一致，用到的内核版本也要和板子上运行的一致。编译成功后生成.ko文件。
- 加载驱动模块
启动开发板进入linux系统命令行，并将编译好的驱动模块first_dri.ko复制到开发板的根文件系统中，执行加载命令：
JZ2440 # insmod first_dri.ko
执行cat /proc/devices可以查看设备驱动是否成功加载到系统（主设备号+设备名称）
执行cat /proc/modular可以查看驱动模块是否成功加载到系统
- 编写驱动测试函数
编写驱动测试函数，在宿主机上交叉编译后得到可执行文件，并将其复制到开发板根文件系统中，运行后查看结果。要注意的是，编译驱动测试程序的工具链版本和文件系统的版本要一致，不然应用程序可能会缺少某些库而无法运行
#include arm-linux-gcc firstdrvtest.c -o firstdrvtest //虚拟机上编译，得到可执行测试文件
cp firstdrvtest /home/leon/nfs_root/first_fs //拷贝到开发板中，开发板通过挂载NFS共享文件系统启动
JZ2440 # ./firstdrvtest on //开发板上运行测试程序，查看结果
first_drv_init
first_drv_open
first_drv_write
JZ2440 #
JZ2440 # rmsmod first_dri.ko //移除驱动模块
JZ2440 # rm /dev/xyz //卸载设备节点
2、LED字符设备驱动编写
前面已经写好了字符设备驱动程序框架，现在实现led字符设备驱动只需要往框架里填充函数就行了。整体设想就是：
- open中实现端口初始化（输入输出配置）
- 入口函数中完成虚拟地址映射
- write中实现LED操作
- copy_from_user 用户空间到内核空间传递数据。
- copy_to_user(); 内核空间到用户空间传递数据
完整驱动代码如下：
#include - 地址映射函数ioremap的理解：
由于驱动是属于内核的一部分，是不能直接访问硬件的物理地址的，因此对于Soc上的物理地址，我们需要进行地址映射以后才能够访问。
进程的虚拟地址和物理内存的地址关系如下所示：
在驱动中进行地址映射只要用ioremap函数就可以了。
ioremap宏定义在asm/io.h内：
#define ioremap(cookie,size) __ioremap(cookie,size,0)
__ioremap函数原型为(arm/mm/ioremap.c)：
void __iomem * __ioremap(unsigned long phys_addr, size_t size, unsigned long flags);
phys_addr：要映射的起始的物理地址；
size：为映射的地址长度，
flags：要映射的地址空间和权限有关的标志（我们不需要关心）
由于我们的目的是点亮LED灯，我们只需要操作控制寄存器（设置引脚输出）和数据寄存器（设置引脚电平）就可以了，我们先在文件头部对要操作的寄存器进行定义：
volatile unsigned long *gpfcon = NULL;
volatile unsigned long *gpfdat = NULL;
volatile是一个特征修饰符，volatile的作用是作为指令关键字，确保本条指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值。
查看JZ2440开发板原理图：
本次涉及的GPIO管脚为GPF4，GPF5，GPF6。
再查看主芯片S3C2440A的芯片用户手册，查的GPFCON和GPFDAT的物理地址如下：
然后我们就可以在入口函数中调用ioremap函数对物理地址进行映射了，由于GPFCON和GPFDAT在物理地址上是紧挨着的，我们方便起见，只需要用映射GPFCON的地址，而GPFDAT只需要在GPFCON的指针上+1就可以了。
同样，在出口函数里也要对映射的地址进行释放，释放映射的地址我们用到了iounmap函数，参数只要将映射的指针传进去就可以了。由于只对GPFCON地址进行了映射操作，这里只对GPFCON进行释放就可以了。
- GPIOF的设置
需要将GPIOF4、5、6引脚设置为输出引脚，点亮和熄灭LED只需要设置GPFDAT的第4到6位为0和1就行：
3、LED字符设备驱动的改进
改进思路：利用次设备号，实现LED的精准控制。（原来是3个灯同时亮灭，现在想可以独立控制）
方法：创建多个设备节点，根据传入参数，执行不同的硬件操作
/*
* 执行insmod命令时就会调用这个函数
*/
static int __init s3c24xx_leds_init(void)
//static int __init init_module(void)
{
int ret;
int minor = 0;
gpio_va = ioremap(0x56000000, 0x100000);
if (!gpio_va) {
return -EIO;
}
/* 注册字符设备
* 参数为主设备号、设备名字、file_operations结构；
* 这样，主设备号就和具体的file_operations结构联系起来了，
* 操作主设备为LED_MAJOR的设备文件时，就会调用s3c24xx_leds_fops中的相关成员函数
* LED_MAJOR可以设为0，表示由内核自动分配主设备号
*/
ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME, &s3c24xx_leds_fops);
if (ret < 0) {
printk(DEVICE_NAME " can't register major number\n");
return ret;
}
leds_class = class_create(THIS_MODULE, "leds");
if (IS_ERR(leds_class))
return PTR_ERR(leds_class);
leds_class_devs[0] = class_device_create(leds_class, NULL, MKDEV(LED_MAJOR, 0), NULL, "leds"); /* /dev/leds */
for (minor = 1; minor < 4; minor++) /* /dev/led1,2,3 */
{
leds_class_devs[minor] = class_device_create(leds_class, NULL, MKDEV(LED_MAJOR, minor), NULL, "led%d", minor);
if (unlikely(IS_ERR(leds_class_devs[minor])))
return PTR_ERR(leds_class_devs[minor]);
}
printk(DEVICE_NAME " initialized\n");
return 0;
}
驱动测试应用程序：
#include
*/
void print_usage(char *file)
{
printf("Usage:\n");
printf("%s \n" ,file);
printf("eg. \n");
printf("%s /dev/leds on\n", file);
printf("%s /dev/leds off\n", file);
printf("%s /dev/led1 on\n", file);
printf("%s /dev/led1 off\n", file);
}
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
char* filename;
char val;
if (argc != 3)
{
print_usage(argv[0]);
return 0;
}
filename = argv[1];
fd = open(filename, O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("error, can't open %s\n", filename);
return 0;
}
if (!strcmp("on", argv[2]))
{
// 亮灯
val = 0;
write(fd, &val, 1);
}
else if (!strcmp("off", argv[2]))
{
// 灭灯
val = 1;
write(fd, &val, 1);
}
else
{
print_usage(argv[0]);
return 0;
}
return 0;
}