2021-07-28嵌入式学习---驱动

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。
主设备号用来区分不同种类的设备（华为），而次设备号用来区分同一类型的多个设备（华为mate40）。

从用户态空间贯穿到底层驱动

Linux系统中对于文件的所有操作离不开三个通用的API函数：open、read、wirte，
例如使用函数open打开一个引脚4文件 pin4 到与底层硬件交互时，一共会经过以下三步：

在用户态空间调用函数 OPEN 触发进程 open("/dev/pin4",O_RDWR)，产生一个软中断（中断号
0x80）进入内核空间；
内核会调用函数 sys_call（System call interface），从sys_call到sys_open中间实际上经过一层虚拟文件系统VFS，做到了不同文件系统但有了统一的接口, 根据设备的文件名在内核的驱动链表中寻找设备的设备号（分为主设备号、次设备号）；
在寻找到设备号之后调用函数sys_open，再调用对应的驱动文件里的open，最终实现寄存器的电平操作。「在最终的硬件动作方面，单片机与Linux本质上是一样的

注意：

内核代码的编写与上层代码的编写有不同之处。内核里的文件代码是一个异常巨大的结构，若你希望在内核里的驱动链表里添加驱动文件，那就必须遵循链表的操作规则，即
驱动框架。
上层与底层的代码实际上是一一对应的，上层opne("/dev/pin4",O_RDWR)底层一定有pin4_open，操作函数read、write同理。
对于其他底层的驱动文件也是类似的，open、read、write都是被放在大的结构体之后才加入到驱动链表中。
不同于系统的上层文件，底层的驱动框架文件中对于变量的声明有大量的static。之所以大量充斥着该函数，是因为整个内核文件数量庞大足足有上万个之多，容易与其他文件的函数命名冲突，函数static限定了变量的作用域仅在该文件中。

驱动

两个部分，第一部分为驱动的加载部分，第二部分为驱动加载完成后，驱动的使用时的调用过程。

驱动加载：

1、将驱动源代码编译后，生成ko文件，这是将要加载的驱动模块。2、调用命令insmod加载模块，首先会找代码里边固定的宏moudle_init()来找到驱动中的初始化函数这里是s5pv210_led_init()和退出函数s5pv210_led_exit()。

3、调用s5pv210_led_init()来进行设备号注册，和设备添加。MKDEV是一个宏，可以通过移位把主设备号和次设备号进行处理，生成一个32位的数据。调用register_chrdev_region()注册设备号，linux驱动根据散列hash表来建立设备描述cdev结构体的索引，当hash表的index冲突时，采用链表的方式避免冲突，这样可以通过设备号快速找到cdev结构体的地址。

4、调用cdev_init()来初始化结构体cdev，最重要的是将file_operations保存在cdev中，file_oerations里边有本地实现的open release ioctl等具体功能的函数指针，这样可以在使用驱动的时候找到相应的实现函数。

5、调用cdev_add()来添加设备结构体cdev到hash表中，根据参数设备号可以找到注册设备号时在hash表中的位置，然后将cdev结构体地址添加进去

6、映射io端口，即映射io端口的物理地址为虚拟地址，因为在系统运行时，外设的I/O内存资源的物理地址是已知的，由硬件的设计决定，可以在数据手册中找到。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围，驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源，而必须将它们映射到核心虚地址空间内，然后才能根据映射所得到的核心虚地址范围，通过访问内存指令访问这些I/O内存资源。

7、使用命令mknod 添加/dev目录下设备描述文件，其实主要就是描述了我们输入的三个参数，首先c代表字符型设备，500代表主设备号，0代表次设备号。三个参数的用法在下边的流程描述。

8、调用rmmod命令后，卸载驱动，找到驱动中moudle_exit()宏来找到卸载驱动的退出函数，在这个里边调用cdev_del()和unregister_chrdev_region()删除设备并且去掉设备号的注册，相反的过程，不用赘言。

驱动使用：

1、在驱动测试文件中，首先打开了/dev目录下的设备文件，但是这个文件只是设备基本信息的描述，没有实质的动作，具体的作用可以看作为设备的索引，通过打开文件可以找到设备驱动的位置。这里分析我们输入的三个参数，c表示字符型设备open系统调用中拿到c就知道要去找字符型设备的结构体。主设备号和次设备号用来索引hash散列表，找到cdev结构体的地址，而cdev中保存有file_operations的地址，就可以找到驱动的具体实现函数，就是驱动加载的逆过程。而open执行完之后，返回一个文件描述符，这个描述符中就带有找到的cdev地址。

2、Open函数根据得到的cdev找到file_operations 中的.open对应的的函数指针，调用这个函数来初始化驱动，这里可以做io端口控制寄存器的设置，将相关的端口设置为输出。

3、调用ioctl通信，ioctl是io管道管理函数，是linux系统封装用来给驱动用的通信函数，方便用户使用，不用关心通信的实现方式，也不用考虑通信是否跨线程或者跨进程，可以看作是一个通道，在使用时塞入数据，在驱动里边写好拿出数据并做相应的处理及可以，感觉非常像socket套接字。

4、测试文件中调用ioctl传入数据，ioctl根据传入的文件描述符参数中的cdev找到file_operations 中的. unlocked_ioctl对应的的函数指针，在这个函数里边调用copy_from_user()，可以取出传入的参数，根据参数做驱动对应的动作。

5、退出驱动后，跟2-4同样的道理找到.release执行，释放驱动。

学习链接：https://blog.csdn.net/weixin_46959681/article/details/117962761

上层空间到底层内核驱动的逻辑调用

修改引脚驱动文件 pin4Driver.c（GPIO）
演示代码： raspberryGPIO.c

#include <linux/fs.h>       //file_operations 声明
#include <linux/module.h>    //module_init module_exit 声明
#include <linux/init.h>      //__init __exit 宏定义声明
#include <linux/device.h>  //class devise 声明
#include <linux/uaccess.h>   //copy_from_user 的头文件
#include <linux/types.h>     //设备号 dev_t 类型声明
#include <asm/io.h>          //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//函数volatil确保指令不被编译器优化，且要求每次直接读取寄存器里的器。
volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int* GPSET0  = NULL;
volatile unsigned int* GPCLR0  = NULL;//pin4_open函数
static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{printk("pin4_open\n");*GPFSEL0 &= ~(0x6 << 12);//将寄存器12-14位置001 *GPFSEL0 |= (0x1 << 12);//将寄存器12位置1return 0;
}//函数pin4_write
static ssize_t pin4_write(struct file *file1,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{int cmd;printk("pin4_write\n");//函数copy_from_user —— 获取上层应用空间的数据。copy_from_user(&cmd,buf,count);if(cmd == 1){printk("set 1.\n");*GPSET0 |= 0x1 << 4;//将引脚4设置为1}else if(cmd == 0){printk("set 0.\n");*GPCLR0 |= 0x1 << 4;//将引脚4设置为0}else{printk("error.\n");}printk("%d\n",cmd);return 0;
}static struct file_operations pin4_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open  = pin4_open,.write = pin4_write,
};int __init pin4_drv_init(void) //真实驱动入口
{int ret;printk("insmod driver pi4 success.\n");//1.创建主设备、次设备号。devno = MKDEV(major,minor);  printk("drive init succeed\n");//2.注册驱动，告诉内核，把这个驱动加入到驱动链表。ret = register_chrdev(major,module_name,&pin4_fops);  //3.加载驱动代码文件时自动操作路径“/root/dev”下生成驱动设备。pin4_class = class_create(THIS_MODULE,"myfirstdriver");//4.创建设备文件pin4_class_dev = device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);  //函数 ioremap —— 将IO的物理地址映射内存的虚拟地址。GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);GPSET0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);GPCLR0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);return 0;
}void __exit pin4_drv_exit(void)
{   //函数iounmap —— 与装载驱动的IO映射相对应，卸载驱动时必须解除映射。iounmap(GPFSEL0);iounmap(GPSET0);iounmap(GPCLR0);//1.销毁设备device_destroy(pin4_class,devno);//2.销毁类文件class_destroy(pin4_class);//3.卸载驱动unregister_chrdev(major, module_name);
}module_init(pin4_drv_init);
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

修改上层应用的测试代码 pin4Test2.c
上层测试代码： pin4Test2.c

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main()
{int fd;int cmd;fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);if(fd < 0){perror("Open failed:");}else{printf("Open success.\n");}printf("Please input number 0/1, 0 - Low Level, 1 - high Level.\n");scanf("%d\n",&cmd);if(cmd == 0){printf("pin4 is low level.\n");}if(cmd == 1){printf("pin4 is high level.\n");}write(fd,&cmd,4);return 0;
}

编译两个文件

引脚驱动文件编译。将引脚的驱动文件放在系统的字符驱动文件目录下home/xxx/linux-rpi-4.14.y/drivers/char，直接 vi 修改引导配置文件Makefile，在文件中直接插入字段 obj-m += pin4Driver.o（前者代表编译的方式，后者代表编译生成的文件。）
模块化编译。在第一步的前提下跳转回到系统源码目录下 home/xxx/linux-rpi-4.14.y/，输入指令进行交叉编译：ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-KERNEL=kernel7 make -j4 modules。等待编译完成后再次打开字符设备驱动文件，编译成功则目录底下会生成新的文件pin4Driver.ko。“j4”表示使用4个核进行编译工作，“modules”表示生成的驱动模块
上层应用测试代码编译。上层的文件处理比较简单，直接对其进行交叉编译处理即可，输入指令：arm-linux-gnueabihf-gcc pin4Test.c -o pin4Test。

在树莓派内加载驱动

驱动加载
输入指令：sudo insmod pin4Driver.ko。查看驱动文件是否加载成功有两个方面：
输入指令：ls /dev/pin4 -l ，查看设备文件下是否有设备文件；
输入指令：lsmod ，查看内核是否挂载设备驱动文件 pin4Driver.ko。
设备权限设置
输入指令：sudo chmod 666 /dev/pin4
【666 ，表示所有人都可以访问该设备。】
测试
在树莓派主目录 pi@home 下运行文件 ./pin4Test。注意，此时上层界面是没有任何显示的，真正的运行现场是在内核空间。输入指令dmesg | grep pin4 ，可以查看内核中调用函数 printk() 成功，完成了从最上层到最底层的逻辑调用。
树莓派gpio readall查看引脚4的模式，电平变化。