原标题：从点一个灯开始学写Linux字符设备驱动！

[导读] 前一篇文章，介绍了如何将一个hello word模块编译进内核或者编译为动态加载内核模块，本篇来介绍一下如何利用Linux驱动模型来完成一个LED灯设备驱动。点一个灯有什么好谈呢？况且Linux下有专门的leds驱动子系统。

点灯有啥好聊呢？

在很多嵌入式系统里，有可能需要实现数字开关量输出，比如：

LED状态显示

阀门/继电器控制

蜂鸣器

......

嵌入式Linux一般需求千变万化，也不可能这些需求都有现成设备驱动代码可供使用，所以如何学会完成一个开关量输出设备的驱动，一方面点个灯可以比较快了解如何具体写一个字符类设备驱动，另一方面实际项目中对于开关量输出设备就可以这样干，所以是具有较强的实用价值的。

要完成这样一个开关量输出GPIO的驱动程序，需要梳理梳理下面这些概念：

设备编号

设备挂载

关键数据结构

设备编号

字符设备是通过文件系统内的设备名称进行访问的，其本质是设备文件系统树的节点。故Linux下设备也是一个文件，Linux下字符设备在/dev目录下。可以在开发板的控制台或者编译的主Linux系统中利用ls -l /dev查看，如下图：

对于ls -l列出的属性，做一个比较细的解析：

细心的朋友或许会发现设备号属性，在有的文件夹下列出来不是这样，这就对了！普通文件夹下是这样：

差别在于一个是文件大小，一个是设备号。

再细心一点的朋友或许还会问，这些/dev下的文件时间属性为神马都相差无几？这是因为/dev设备树节点是在内核启动挂载设备驱动动态生成的，所以时间就是系统开机后按次序生成的，你如不信，不妨重启一下系统在查看一下。

常见文件类型：

d: directory 文件夹

l: link 符号链接

p: FIFO pipe 管道文件,可以用mkfifo命令生成创建

s: socket 套接字文件

c: char 字符型设备文件

b: block 块设备文件

-：常规文件

回到设备号,设备号是一个32位无符号整型数，其中：

12位用来表示主设备号,用于标识设备对应的驱动程序。

20位用来表示次设备号，用于正确确定设备文件所指的设备。

这怎么理解呢，看下串口类设备就比较清楚了：

主设备号一样证明这些设备共用了一个驱动程序，而次设备号不一样，则对应了不同的串口设备。那么怎么得到设备号呢？

/*下列定义位于./include/linux/types.h */

typedefu32 __kernel_dev_t;

typedef__kernel_dev_tdev_t;

/* 下面宏用于生成主设备号，次设备号 */

/* 下列定义位于./include/linux/Kdev_t.h */

# defineMINORBITS 20

# defineMINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)

# defineMAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))

# defineMINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))

# defineMKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

使用举例：

/* 主设备号 */

MAJOR( dev_tdev);

/* 次设备号 */

MINOR( dev_tdev);

设备挂载

为简化问题，本文描述一下动态加载设备驱动模块，暂不考虑设备树。参考<>一书。可参照前文将驱动编译成模块，然后利用下面脚步动态加载模块。由前面描述，知道设备最终需要在/dev目录下生成一个设备文件，那么这个设备文件节点是怎么生成呢，看看下面的脚本：

#!/bin/sh

#-----------------------------------------------------------------------

module="led"

device="led"

mode="664"

group="staff"

# 利用insmod命令加载设备模块

insmod -f $module.ko $* || exit 1

#获取系统分配的主设备号

major=`cat /proc/devices | awk "$2=="$module" {print $1}"`

# 删除旧节点

rm -f /dev/${device}

# 创建设备文件节点

mknod /dev/${device} c $major 0

#设置设备文件节点属性

chgrp $group /dev/${device}

chmod $mode /dev/${device}

这里要提一下/proc/devices，这是一个文件记录了字符和块设备的主设备号，以及分配到这些设备号的设备名称。比如使用cat命令来列出这个文件内容：

关键数据结构

字符设备由什么关键数据结构进行抽象的呢，来看看：

file_operations定义在./include/linux/fs.h

cdev定义在./include/linux/cdev.h

cdev中与字符设备驱动编程相关两个数据域：

const struct file_operations *ops;

dev_t dev;设备编号

文件操作符是一个庞大的数据结构，常规字符设备驱动一般需要实现下面一些函数指针：

read:用来实现从设备中读取数据

write：用于实现写入数据到设备

ioctl：实现执行设备特定命令的方法

open：用实现打开一个设备文件

release：当file结构被释放时，将调用这个接口函数点灯设备

先上代码(可左右滑动显示)：

# include

# include

# include

# include /* printk */

# include

# include

# include /* everything... */

# include

# include /* copy_*_user */

/*这里具体参考不同开发板的电路 GPIOC24 */

# defineLED_CTRL (2*32+24)

staticconstunsignedintled_pad_cfg = LED_CTRL;

structt_led_dev{

structcdevcdev;

unsignedcharvalue;

};

structt_led_devled_dev;

staticdev_tled_major;

staticdev_tled_minor= 0;

staticintled_open(struct inode * inode,struct file * filp)

{

filp->private_data = &led_dev;

printk ( "led is opened!n");

return0;

}

staticintled_release(struct inode * inode,

struct file * filp)

{

return0;

}

staticssize_t led_read(struct file * file,

char__user * buf,

size_tcount,

loff_t*ppos)

{

ssize_tret= 1;

if(copy_to_user(&(led_dev.value),buf, 1))

return-EFAULT;

printk ( "led is read!n");

returnret;

}

staticssize_t led_write(struct file * filp,

constchar__user *buf,

size_tcount, loff_t*ppos)

{

unsignedcharvalue;

ssize_tretval = 0;

if(copy_from_user(&value,buf, 1))

return-EFAULT;

if(value& 0x01)

gpio_set_value(led_pad_cfg, 1);

else

gpio_set_value(led_pad_cfg, 0);

printk ( "led is written!n");

returnretval;

}

staticconststructfile_operationsled_fops= {

.owner = THIS_MODULE,

.read = led_read,

.write = led_write,

.open = led_open,

.release = led_release,

};

staticvoidled_setup_cdev(struct t_led_dev * dev, intindex)

{

/* 初始化字符设备驱动数据域 */

interr,devno = MKDEV(led_major,led_minor+index);

cdev_init(&(dev->cdev),&led_fops);

dev->cdev.owner = THIS_MODULE;

dev->cdev.ops = &led_fops;

/* 字符设备注册 */

err = cdev_add(&(dev->cdev),devno, 1);

if(err)

printk(KERN_NOTICE "Error %d adding led %d",err,index);

}

staticintled_gpio_init( void)

{

if(gpio_request(LED_CTRL, "led") < 0) {

printk( "Led request gpio failedn");

return-1;

}

printk( "Led gpio requested okn");

gpio_direction_output(LED_CTRL, 1);

gpio_set_value(LED_CTRL, 1);

return0;

}

/* 注销设备 */

voidled_cleanup( void)

{

dev_tdevno = MKDEV(led_major, led_minor);

gpio_set_value(LED_CTRL, 0);

gpio_free(LED_CTRL);

cdev_del(&led_dev.cdev);

unregister_chrdev_region(devno, 1); //注销设备号

}

/* 注册设备 */

staticintled_init( void)

{

intresult;

dev_tdev = MKDEV( led_major, 0);

/* 动态分配设备号 */

result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "led");

if(result< 0)

returnresult;

led_major = MAJOR(dev);

memset(&led_dev, 0, sizeof(struct t_led_dev));

led_setup_cdev(&led_dev, 0);

led_gpio_init;

printk ( "led device initialised!n");

returnresult;

}

module_init(led_init);

module_exit(led_cleanup);

MODULE_DEION( "Led device demo");

MODULE_AUTHOR( "embinn");

MODULE_LICENSE( "GPL");

来总结一下要点：

init函数，需要用module_init宏包起来，本例中即为led_init，module_init宏的作用就是选编译为模块或进内核的底层实现，建议刚开始不必深究。一般而言主要实现：

申请分配主设备号alloc_chrdev_region

为特定设备相关数据结构分配内存

将入口函数(open read write等)与字符设备驱动的cdev抽象数据结构关联

将主设备与驱动程序cdev相关联

申请硬件资源，初始化硬件

调用cdev_add注册设备

exit函数，一样需要用module_exit包起来，主要负责：

释放硬件资源

调用cdev_del删除设备

调用unregister_chrdev_region注销设备号

用户空间与驱动数据交换

copy_to_user，如其名一样，将内核空间数据信息传递到用户空间

copy_from_user，如其名一样，从用户空间拷贝数据进内核空间

善用printk进行驱动调试，这是内核打印函数。

gpio相关操作函数，这里就不一一列举其作用了，比较容易理解。测试驱动# include

# include

# include

# include

# defineREAD_SIZE 10

intmain( intargc, char**argv){

intfd,count;

floatvalue;

unsignedcharbuf[READ_SIZE+ 1];

printf( "Cmd argv[0]:%s,argv[1]:%s,argv[2]:%sn",argv[ 0],argv[ 1],argv[ 2] );

if( argc< 2){

printf( "[Usage: test device_name ]n");

exit( 0);

}

if( strlen(argv[ 2]!= 1)

printf( "Invalid parametern");

if(( fd = open(argv[ 1],O_WRONLY ))< 0){

printf( "Error:can not open the device: %sn",argv[ 1] );

exit( 1);

}

if(argv[ 2][ 0] == '1')

buf[ 0] = 1;

elseif(argv[ 2][ 0] == '0')

buf[ 0] = 0;

else

printf( "Invalid parametern");

printf( "write: %dn",buf[ 0]);

if( (count = write( fd, buf , 1))< 0){

perror( "write error.n");

exit( 1);

}

close(fd);

printf( "close device %sn",argv[ 1] );

return0;

}

编译成可执行文件，调用前面的脚本加载设备后，在/dev下就可以看到led设备了。 比如测试代码编译成ledTest执行文件，则使用下面命令运行测试程序就可以看到led控制效果了：

/*打开led 具体取决电路是高有效还是低有效*/

./ledTest /dev/led 1

./ledTest /dev/led 0

这样就实现了用户空间驱动底层设备了，实际应用代码就可以这样去访问底层的字符型设备。

总结一下

本文总结了简单字符设备的驱动开发的一些要点，以及如何动态加载，在设备文件系统树上创建设备节点，并演示了驱动以及驱动使用的基本要点。

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