基于ARM9开发板的按键字符设备驱动实现

 

摘要：

该驱动程序实现4个按键设备在Linux系统中基于QT2410E开发板的工作情况，通过该实例可以了解ARM平台Linux系统下的GPIO程序控制，以及硬件中断程序的工作机制。另外还可以熟悉Linux 2.6内核的模块加载和测试方法。

1．了解硬件原理图

由于该设备驱动是针对具体硬件设备的，所以一般需要了解它的硬件原理图（如图1），该模块有四个按键分别是S2，S3，S4和S5，其中这四个按键分别对应的外部中断为：EINT0，EINT2，KBDINT（EINT1）和KBDSPIMISO（EINT13）。工作原理很简单，当系统正常工作时，按这四个任意键会产生相应的中断信号，从而系统会知道哪个按键被触发，在该驱动实现中当有哪个按键被触发时会有相应的打印信息产生。

图1 按键模块的电路图

2．设计驱动程序框架

字符设备指那些必须以串行顺序依次访问的设备，并且不需要缓冲，通常用于不需要大量数据请求传送的设备类型，所以对于该按键设备适合用字符设备类型来实现。对于Linux设备驱动，通常根据设备类型的不同所以实现框架会有所不同，比如字符设备、块设备和网络设备分别都有自己的实现框架和相应的内核API函数。通常字符设备驱动实现的内容有：模块的加载（字符设备的注册，硬件的初始化，中断的注册等）；字符设备的操作函数实现（open，close，read，write和ioctl等）；中断程序的实现；模块的卸载（注销字符设备，注销其他申请的资源）。下面来分析一下该按键设备驱动的具体实现。

3．按键模块的加载

     1  static int __init buttons_init(void)

     2  {

     3          int ret,devno;

     4          dev_t dev;

     5          ret = alloc_chrdev_region(&dev,0,1,DEVICE_NAME); //在系统中申请一个字符设备区域，主设备号由系统动态分配。

     6          buttons_major_number = MAJOR(dev); //摘取出主设备号

     7          printk(KERN_INFO "Initial QT2410E Board Buttons driver!/n");

     8          if (ret<0) {

     9                  printk(KERN_WARNING "button:can't get major number %d/n",buttons_major_number);

    10                  return ret;

    11          }

    12          ret = request_irqs(); //注册中断，下文会具体分析该函数的实现

    13          if (ret) { //如果注册中断失败，则注销上面申请的字符设备区域。

    14                  unregister_chrdev_region(dev,1);

    15                  printk(KERN_WARNING "button:can't request irqs/n");

    16                  return ret;

    17          }

    18          devno = MKDEV(buttons_major_number,0);

    19          cdev_init(&buttons_dev,&buttons_fops); //初始化buttons_dev字符设备结构

    20          buttons_dev.owner = THIS_MODULE;

    21          

    22

    23          ret = cdev_add(&buttons_dev,devno,1);// 将字符设备加入到内核中

    24          if (ret) { //如果添加失败，则做上述注册的释放操作。

    25                  free_irqs();

    26                  unregister_chrdev_region(dev,1);

    27                  printk(KERN_NOTICE "Error %d adding buttons device/n",ret);

    28                  return ret;

    29          }

    30

    31  #ifdef CONFIG_DEVFS_FS //如果定义devfs，系统会自动创建/dev目录下的字符设备节点，比如这里会自动创建/dev/buttons字符设备节点

    32          devfs_mk_cdev(MKDEV(buttons_major_number,0), S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR,DEVICE_NAME);

    33          printk(KERN_INFO"/dev/%s has been added to your system./n",DEVICE_NAME);

    34  #else //否则需要执行 mknod命令手动创建字符设备节点。

    35          printk(DEVICE_NAME "Initialized/n");

    36          printk(KERN_INFO "You must create the dev file manually./n");

    37          printk(KERN_INFO "Todo: mknod c /dev/%s %d 0/n",DEVICE_NAME,buttons_major_number);

    38  #endif

    39          return 0;

    40  }

分析上述代码，buttons_init是该按键模块的驱动入口函数，也是该内核模块的加载函数，主要用于注册资源、申请资源和初始化设备等工作。第5行，alloc_chrdev_region（）是内核提供的申请字符设备号函数，它会动态的为设备申请一个主设备号，并且根据输入参数申请多个次设备。第19行，cdev_init（）是用于初始化一个cdev结构，这里初始化的是buttons_dev全局变量。第32行，devfs_mk_cdev（）函数会在/dev目录下自动创建一个设备节点，早期的内核版本是需要手动通过mknod工具创建设备节点。

4．字符设备的操作函数

由于该设备功能单一，所以这里只实现了read操作，关于read操作的定义如下：

static struct file_operations buttons_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.read = buttons_read,

};

其中read操作是被定义在file_operations的对象中，由buttons_read函数具体实现。

     1  static ssize_t buttons_read(struct file *filp,char __user *buffer,size_t count,loff_t *ppos)

     2  {       

     3          static int key;

     4          unsigned long  flags;

     5          if (!ready) { 

     6                  return -EAGAIN;

     7          }

     8          if (count != sizeof key_value)

     9                  return -EINVAL;

    10          local_irq_save(flags);

    11          key = key_value;

    12

    13          local_irq_restore(flags);

    14          copy_to_user(buffer, &key, sizeof key);

    15          ready = 0;

    16

    17          return sizeof key_value;

    18  }

以上代码中最重要的实现是由copy_to_user（）函数实现的，它是内核提供的用于将内核空间数据拷贝到用户空间中去API，它是内核空间与用户空间通信的重要实现函数。

5. 中断实现函数

     1  static int request_irqs(void)

     2  {

     3          struct key_info *k;

     4          int i,request;

     5          unsigned int irq;

     6          for (i = 0; i < sizeof key_info_tab / sizeof key_info_tab[1]; i++) {

     7                  k = key_info_tab + i;

     8                  irq=k->irq_no;

     9                  s3c_irqext_type(irq,  type);

    10                  if(irq<IRQ_EINT7)

    11                          s3c_irq_ack(irq);

    12                  else

    13                          s3c_irqext_ack(irq);

    14                  request =request_irq(k->irq_no,&buttons_irq,SA_INTERRUPT,DEVICE_NAME,NULL);

    15                  if (request) {

    16                          printk(KERN_WARNING "buttons:can't get irq no./n");

    17                          return -1;

    18                  }

    19          }

    20          return 0;

    21  }

其中key_info_tab结构体是用于定义按键的中断号，GPIO等硬件信息，定义如下：

unsigned int irq_no;

unsigned int gpio_port;

int key_no;

unsigned int IN;

unsigned int EINT;

} key_info_tab[4] = {

/*{ IRQ_EINT11, S3C2410_GPG3, 1 ,S3C2410_GPG3_INP,S3C2410_GPG3_EINT11},*/

{ IRQ_EINT0, S3C2410_GPF0, 2 ,S3C2410_GPF0_INP,S3C2410_GPF0_EINT0},

/*{ IRQ_EINT19, S3C2410_GPG11, 3 ,S3C2410_GPG11_INP,S3C2410_GPG11_EINT19},*/

{ IRQ_EINT2, S3C2410_GPF2, 3 ,S3C2410_GPF2_INP,S3C2410_GPF2_EINT2},

{ IRQ_EINT1, S3C2410_GPF1, 4 ,S3C2410_GPF1_INP,S3C2410_GPF1_EINT1},

{ IRQ_EINT13, S3C2410_GPG5, 5 ,S3C2410_GPG5_INP,S3C2410_GPG5_EINT13},

};

通过上面的代码可以看出这四个按键分别对应的外部中断号是：IRQ_EINT0，IRQ_EINT2，IRQ_EINT1和IRQ_EINT13。继续分析request_irqs( )函数，其中s3c_irq_ack（）和s3c_irqext_ack（）是用来清除中断的。当内核调用__do_IRQ（）时首先要对中断做清除（也就是ACK）动作。其中，第14行，通过调用request_irq（）来真正的向系统注册该中断服务，其中中断服务函数为该函数的参数buttons_irq（）回调函数，当中断产生时系统会自动调用该函数。关于buttons_irq（）的具体实现代码如下：

static irqreturn_t buttons_irq(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *req)

{

struct key_info *k;

int i;

int found = 0;

int up ;

unsigned long  flags;

for (i = 0; i < sizeof key_info_tab / sizeof key_info_tab[1]; i++) {

k = key_info_tab + i;

if (k->irq_no == irq) {

found = 1;

break;

}

}

if (!found) {

printk("bad irq %d in button/n", irq);

return IRQ_NONE;

}

local_irq_save(flags);

mdelay(1);

s3c2410_gpio_cfgpin(k->gpio_port, k->IN);

up = s3c2410_gpio_getpin(k->gpio_port);

local_irq_restore(flags);

        s3c_irqext_type(irq,  type);

if(irq<IRQ_EINT7)

s3c_irq_ack(irq);

else

s3c_irqext_ack(irq);

if (!up) {

key_value = k->key_no;

ready=1;

}

wake_up_interruptible(&buttons_wait);

return IRQ_HANDLED;

}

上述代码实现的功能是：首先根据中断号判断是否是已经注册的中断，如果不是所注册的中断号范围，那么就返回无中断标识退出。当发现产生的中断号就是之前注册的中断，那么读取相应的硬件IO端口进行判断，获取最终对应的按键值。

6.按键模块的卸载

static void __exit buttons_cleanup(void)

{

        dev_t dev=MKDEV(buttons_major_number,0);

        free_irqs();

        cdev_del(&buttons_dev);

        unregister_chrdev_region(dev,1);

#ifdef CONFIG_DEVFS_FS

        devfs_remove(DEVICE_NAME);

#endif

        printk(KERN_INFO "unregistered the %s/n",DEVICE_NAME);

}

其中卸载模块的实现比较简单，首先通过调用free_irqs()来释放中断资源。其次，调用cdev_del（）来删除之前注册的字符设备，最后调用unregister_chrdev_region（）来释放系统中曾申请的设备号。

7.编写应用程序测试该驱动

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <errno.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/types.h>

int main(int argc, char **argv)

{

int fd;

int result;

int key_value;

int times = 1;

fd = open("/dev/buttons", 0);

if (fd < 0)

{

perror("Failed to open buttons-key/n");

exit(1);

}

while(1)

{

result = read(fd, &key_value, sizeof(key_value)) == sizeof(key_value);

if (result)

{

printf("KEY's value is %d/n;", key_value);

printf(" Be pressed %d times/n", times++);

}

}

close(fd);

return 0;

}

测试方法：首先编译按键驱动模块，然后通过insmod命令加载驱动到系统中，最后编译上述应用程序，执行该应用程序，通过在开发板上进行按键操作，开发板的执行中断会打印按键对应的数值和按键的次数。

到此为止，一个典型的简单的且有实际意义的字符设备驱动已经展现给了大家，希望大家可以仔细分析该驱动的实现过程，深入了解内核驱动的实现原理。该实验的源代码请在：

http://www.top-e.org/wdxz/html/?20.html下载。

该实验基于QT2410E开发板进行，关于该开发板的具体介绍参考：http://www.top-e.org/page/jgsz/index.php