S3C2440 开发板实战（7）：字符设备驱动框架+LED驱动
在学习驱动的时候我遇到了很多问题，所以我的学习路线是这样的：
编写驱动发现.ko文件需要放入开发板的目录中，然后就学习通过nfs创建共享文件，在配置nfs时发现网络没有连接上，所以就学习怎样配置IP地址，在传输完.ko文件后，发现自动生成不了dev nod，在经过一番寻找问题后发现是文件系统没配置好，所以我又配置了一遍mdev。最终成功！（耗时2天呀。）
正文：
一、驱动文件框架
1.1. 编写驱动文件
一个驱动文件包含以下三个部分
- 初始化驱动：首先需要定义一个文件类（在C里相当于一个结构体），列出其需要的成员函数（空函数）；然后在操作系统中注册这个文件驱动，并建立这个驱动对应的设备节点。最后修饰下初始化函数，将其通过编译成可动态加载的module。
- 成员函数：完善初始化中加入文件类中的函数。
- 卸载驱动：注销文件驱动，并删除这个驱动对应的设备节点。
Linux设备分成三种基本类型：
- 字符设备
- 块设备
- 网络设备
设备驱动程序也分为对应的三类：
- 字符设备驱动程序
- 块设备驱动程序
- 网络设备驱动程序
设备节点被创建在/dev下，是连接内核与用户层的枢纽，就是设备是接到对应哪种接口的哪个ID 上。 相当于硬盘的inode一样的东西，立面记录了硬件设备的位置和信息
在Linux中，所有设备都以文件的形式存放在/dev目录下，都是通过文件的方式进行访问，设备节点是Linux内核对设备的抽象，一个设备节点就是一个文件。应用程序通过一组标准化的调用执行访问设备，这些调用独立于任何特定的驱动程序。而驱动程序负责将这些标准调用映射到实际硬件的特有操作。
有很重要的一点：设备节点，驱动，硬件设备是如何关联到一起的呢？
---> 这是通过设备号实现的，包括主设备号和次设备号。当创建一个设备节点时需要指定主设备号和次设备号。应用程序通过名称通过名称访问设备，而设备号指定了对应的驱动程序和对应的设备。主设备号标识设备对应的驱动程序，次设备号由内核使用，用于确定设备节点所指设备。
其中设备类型、设备号、设备结点可以通过 ls /dev -l 查看。
接着开始细品驱动文件
1.1.1 配置驱动文件
结构体file_operation 在头文件fs.h中定义，用来存储驱动内核模块提供的对设备进行各种操作的函数的指针，相当于对设备进行config。该结构体的每个域都对应着驱动内核模块用来处理某个被请求的 事务的函数的地址。通过查看file_operation源码可以看出存储着许多内核模块中执行对应操作的地址，在应用程序中使用其中的部分成员，对应的没有调用的成员函数则会设置为NULL。
举个栗子，若是按键驱动，每个字符设备需要定义.read用来读取设备数据的函数。另一个栗子，本文里编写LED驱动，所以需要定义.write用来写寄存器（open中初始化LED write中配置LED），对其config如下：
static struct file_operations drv_fops = {.owner = THIS_MODULE, // 相当于This指针.open = drv_open, // 将.open 函数指针指向drv_open 函数.write = drv_write, // 将.write函数指针指向drv_write函数
};1.1.2 注册驱动文件
在linux 2.6之后有register_chrdev_region()或者register_chrdev()函数可以注册驱动文件。register_chrdev_region()相比于register_chrdev()更加简便。这里为了方便理解以register_chrdev()来分析：
major = register_chrdev(0, "led_drv", &drv_fops); // register chrdev. to major //(major, "drv name", file operations);- major: 生成驱动文件的主设备号。若设置为0，系统将自动分配主设备号给驱动文件，并且函数的返回值为主设备号。所以在运行完这一行程序后会在系统中生成一个设备，可以通过#cat /proc/device中查询。
- drv_name: 驱动名
- file_operation: 第一步中创建的文件类
1.1.3 创建设备节点
①不怕麻烦版本：在系统中调用mknod命令创建设备节点，命令格式为mknod name { b | c } Major Minor ，b表示块设备，c表示字符设备。
②高端版本：搭配mdev文件系统，在初始化函数中创建设备节点，使用自动创建的前提是用户空间移植了udev。在驱动的初始化代码里调用class_create为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create创建对应的设备。在移除模块时，要调用device_destroy 和class_destroy相应的删除自动创建的设备和类。
很简单就两步：一、定义一个类指向Step1中文件类；二、创建文件类对应的设备节点（主设备号&次设备号）
static struct class *drv_class;
static struct class_device *drv_class_dev;
-------------------------------------------------------------------------------------------drv_class = class_create(THIS_MODULE, "leddrv");//(.owner, 类名)
if(IS_ERR(drv_class))
{printk( "ERROR creat key class");
}
//(指向文件类的类名, 父类节点, (主设备号,次设备号), ,设备节点名字)
drv_class_dev = class_device_create(drv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "led");
if(drv_class_dev == NULL)
{printk("ERROR creat dev");
}1.1.4 成员函数
在Step1中调用的函数，以最简单printk为例（只进行打印操作）：
static int drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{printk("drv_open\n"); return 0;
}
static ssize_t drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{printk("drv_write\n");return 0;
}1.1.5 卸载驱动
两部分：卸载驱动&删除设备节点
1.1.6 模块化驱动文件
首先修饰init函数和exit函数，相当于告诉内核这个函数为初始化函数和退出函数
module_init(first_drv_init); //When install drv, system will find init function
module_exit(first_drv_exit); // Uinstall drv需要在驱动文件中加入模块许可声明（适合linux2.4&2.6）否则insmod驱动时将不能与/proc/kallsyms中的符号正常连接：
MODULE_LICENSE("GPL");则我们的驱动框架为：
//drv_frame.c#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/device.h>static struct class *drv_class;
static struct class_device *drv_class_dev;static int drv_open(struct inode *inode, struct file *file) //设备节点，参数项
{printk("drv_open\n"); return 0;
}static ssize_t drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{printk("drv_write\n");return 0;
}static struct file_operations drv_fops = {.owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */.open = drv_open, .write = drv_write,
};
int major;
static int drv_init(void)
{major = register_chrdev(0, "led_drv", &drv_fops); // register chrdev. to major (major, "drv name", file operations);drv_class = class_create(THIS_MODULE, "leddrv");if(IS_ERR(drv_class)){printk( "ERROR creat key class");}drv_class_dev = class_device_create(drv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "led");if(drv_class_dev == NULL){printk("ERROR creat dev");}return 0;
}static void drv_exit(void)
{unregister_chrdev(major, "led_drv"); // 卸载class_device_unregister(drv_class_dev);class_destroy(drv_class);
}module_init(drv_init); //When install drv, system will find init function
module_exit(drv_exit); // Uinstall drvMODULE_LICENSE("GPL");1.2. 配置mdev文件系统
上文也提到了，构建设备节点是需要mdev协助的，mdev其实是udev的简化版，通过读取内核信息来创建设备文件，要使用mdev，需要内核支持sysfs文件系统，若想减少对flash的读写还得支持tmpfs文件系统（可有可没有，我tmpfs挂载不上），其配置方法如下：
配置开机自动运行文件/etc/init.d/rcS ，添加以下几句命令:
mount -a
mkdir /dev/pts
mount -t devpts devpts /dev/pts
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernelhotplug
mdev -s其中mount -a命令是将文件/etc/fstab中的设备进行挂载，所以这里应该添加sysfs和tmpfs文件系统的挂载：
# device mount-point type options dump fsck order
proc /proc proc defaults 0 0
tmpfs /tmp tmpfs defaults 0 0
tmpfs /dev tmpfs defaults 0 0
sysfs /sys sysfs defaults 0 0挂载的文件系统可以通过以下指令进行观察：
#cat /proc/mounts1.3. 应用程序
接着就是随便编写一个应用程序（应用程序用来控制文件）
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>int main(int argc, char **argv)
{int fd;int val = 1;fd = open("/dev/led", O_RDWR);//设备节点 读写打开if (fd < 0){printf("can't open!\n"); }write(fd, &val, 4);return 0;
}由于open函数的返回值为一个int类型，当文件打开出错时会返回-1。如果为大于0的值，那么这个值代表的就是文件描述符。所以有更一般的写法：
if((fd=open("/dev/ttys0",O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY)<0)
{perror("open");
}1.4. 编译驱动文件以及测试文件
1.4.1 makefile
KERN_DIR = ~/work/system/linux-2.6.22.6all:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules cleanrm -rf modules.orderobj-m += drv_led.o其中KERN_DIR代表内核的位置，所以底下的make是根据linux内核中的makefile进行编译，注释如下：
- -C：指定进入指定的目录即KERN_DIR，是内核源代码目录，调用该目录顶层下的Makefile,目标为modules。 M=$(shell pwd) | `pwd`选项让该Makefile在构造modules目标之前返回到模块源代码目录并在当前目录生成obj-m指定的xxx.o目标模块。
- obj-m += xxx.o：指定当前目录要生成的目标模块，然后modules目标指向obj-m变量中设定的模块。
1.4.2 测试文件编译
$arm-linux-gcc -o test_fun test_fun.c1.5. 测试
命令&注释如下
1.5.1 注册驱动
在命令段通过insmod对编译出的.ko文件进行加载。
#insmod /mnt/drv_frame.ko这时可以通过以下命令，判断驱动初始化是否成功：
#lsmod //查看是否创建设备节点
#ls /dev -l //查看所有的驱动（驱动名 主设备号 次设备号）
#cat /proc/device //查看驱动是否注册成功1.5.2 执行应用程序
如果驱动初始化没有问题就可以直接开始运行应用程序：
#./mnt/drv_fun运行成功会看见系统调用了drv_open()函数以及drv_write()函数打印出来的值：
drv_open
drv_write
1.5.3 注销驱动
rmmod drv_led //.ko文件名这一步会注销驱动并且删除设备节点。若要单独删除设备节点可以直接rm -r dev/led 指令
二、LED驱动程序
2.1. 虚拟内存
在裸机程序中对于LED的点亮是直接通过物理地址进行配置的，但是在驱动程序中是通过虚拟地址这个中介对物理地址进行操作。从物理地址向虚拟地址映射可以通过ioremap(address, length)进行映射。在卸载时可以通过iounmap(address)进行去映射。
2.2. 框架添加LED驱动程序
除了对地址的映射，其他的操作和裸机配置LED操作一样
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/device.h>static struct class *leddrv_class;
static struct class_device *leddrv_class_dev;volatile unsigned long *gpfcon = NULL;
volatile unsigned long *gpfdat = NULL;static int led_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{*gpfcon &= ~((3<<8) | (3<<10) | (3<<12));*gpfcon |= ((1<<8) | (1<<10) | (1<<12)); //printk("first_drv_open\n"); return 0;
}static ssize_t led_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{int val;copy_from_user(&val, buf, count); // copy buf from user space to val if(val == 1)*gpfdat &= ~((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));else*gpfdat |= ((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));//copy_to_user()//printk("led_drv_write\n");return 0;
}static struct file_operations led_drv_fops = {.owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */.open = led_drv_open, .write = led_drv_write,
};
int major;
static int led_drv_init(void)
{major = register_chrdev(0, "led_drv", &led_drv_fops); // 注册, 告诉内核// register chrdev. to major (major, "drv name", file operations);leddrv_class = class_create(THIS_MODULE, "leddrv");if(IS_ERR(leddrv_class))printk( "ERROR creat key class");leddrv_class_dev = class_device_create(leddrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "led"); /* /dev/xyz */if(leddrv_class_dev == NULL)printk("ERROR creat dev");gpfcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000050, 16); //remap LED GPFCPNgpfdat = gpfcon + 1; //remap LED GPFDATreturn 0;
}static void led_drv_exit(void)
{unregister_chrdev(major, "led_drv"); // 卸载class_device_unregister(leddrv_class_dev);class_destroy(leddrv_class);iounmap(gpfcon); // unmap virtual address
}module_init(led_drv_init); //When install drv, system will find init function
module_exit(led_drv_exit); // Uinstall drvMODULE_LICENSE("GPL");PS：从用户空间的参数在驱动程序中成员函数如果要使用，则需要通过copy_form_user()和copy_to_user()将用户空间的参数传递过来。用法：
1、Copy_to_user( to, &from, sizeof(from))
To:用户空间函数 （可以是数组）
From:内核空间函数（可以是数组）
sizeof(from)：内核空间要传递的数组的长度
2、Copy_from_user(&from , to , sizeof(to) )
To:用户空间函数 （可以是数组）
From:内核空间函数（可以是数组）
sizeof(from)：内核空间要传递的数组的长度
2.3. 应用程序
2.3.1 main函数的参数
一般的main函数都是不带参数的，因此main 后的括号都是空括号。实际上，main函数可以带参数，这个参数可以认为是 main函数的形式参数。Ｃ语言规定main函数的参数只能有两个， 习惯上这两个参数写为argc和argv。因此，main函数的函数头可写为： main (argc,argv)Ｃ语言还规定argc(第一个形参)必须是整型变量,argv( 第二个形参)必须是指向字符串的指针数组。加上形参说明后，main函数的函数头可以写为：
main (int argc,char *argv[])main函数的参数值是从操作系统命令行上获得的。运行一个可执行文件时，在命令行键入文件名，再输入实际参数即可把这些实参传送到main的形参中去。
命令行下运行可执行文件的一般形式为：可执行文件名 参数 参数……，命令行中的参数个数原则上未加限制。argc参数表示了命令行中参数的个数(注意：文件名本身也算一个参数)，argc的值是在输入命令行时由系统按实际参数的个数自动赋予的。例如有命令行为./a.out a b b d a，由于文件名a.out本身也算一个参数，所以共有6个参数，因此argc取得的值为6。argv参数是字符串指针数组，其各元素值为命令行中各字符串(参数均按字符串处理)的首地址。 指针数组的长度即为参数个数。数组元素初值由系统自动赋予。
2.3.2 测试函数
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
// 用法：
// led_drv on
// led_drv offint main(int argc, char **argv)
{int fd;int val = 1;fd = open("/dev/led", O_RDWR); //允许读写if (fd < 0)printf("can't open!\n");if(argc != 2) // 参数数量{printf("error parterner\n"); // 提示信息printf("%s <on|off>\n",argv[0]);return 0;}if(strcmp(argv[1],"on") == 0)val = 1;elseval = 0;write(fd, &val, 4); return 0;
}2.3. 测试
在执行应用程序之前都相同，执行应用程序时：
#drv_fun on //打开LED
#drv_fun off //关闭LED三、LED驱动程序 pro
这一节里实现分别控制每一个LED，办法很多以下列出几种常用的办法：
- 通过主函数传入val控制LED
- 通过查看次设备号控制LED
为了学习，使用控制次设备号来控制LED。
3.1. 完善驱动程序
3.1.1 引用主设备号&次设备号
设备号的使用应该始终使用<linux/kdev_t.h>中定义的宏
- 获取主设备号：MAJOR(dev_t dev) 和
- 获取次设备号：MINOR(dev_t dev)
- 转换成dev_类型：MKDEV(int major,int minor) PS: 在class_device_create()函数中有使用
3.1.2 file结构体
获得设备号需要知道当前文件对应的设备节点的位置（dev/led1），这一信息体现在file结构体中，在vim中从file通过一步一步g+]可以得到inode的位置所以在write和open函数中使用MIONR()如下所示：
int minor = MINOR(file -> f_dentry -> d_inode -> i_rdev); //write struct file *fileint minor = MINOR(inode -> i_rdev); //open struct inode *inode3.1.3 完整驱动框架
思想：基以上两点，首先在初始化函数中初始化四个设备节点(次设备号不同），通过在write和open中分析此设备号，进而判断程序动作。
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/compiler.h>
#include <linux/err.h>#define DEV_NAME "leddrv" // device name
#define LED_MAJOR 252 // major device numberstatic struct class *leddrv_class;
static struct class_device *leddrv_class_dev[4];volatile unsigned long *gpfcon = NULL;
volatile unsigned long *gpfdat = NULL;static int led_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{int minor = MINOR(inode -> i_rdev);switch(minor){case 0:{*gpfcon &= ~((3<<4*2) | (3<<5*2) | (3<<6*2));*gpfcon |= ((1<<4*2) | (1<<5*2) | (1<<6*2));break;}case 1:{*gpfcon &= ~(3<<4*2);*gpfcon |= (1<<4*2);break;}case 2:{*gpfcon &= ~(3<<5*2);*gpfcon |= (1<<5*2);break;}case 3:{*gpfcon &= ~(3<<6*2);*gpfcon |= (1<<6*2);break;}}
// *gpfcon &= ~((3<<8) | (3<<10) | (3<<12));
// *gpfcon |= ((1<<8) | (1<<10) | (1<<12)); //printk("first_drv_open\n"); return 0;
}static ssize_t led_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{int val;copy_from_user(&val, buf, sizeof(buf)); // copy buf from user space to val int minor = MINOR(file -> f_dentry -> d_inode -> i_rdev);switch(minor){case 0:{if(val == 1) *gpfdat &= ~((1<<4) | (1<<5) | (1<<6)); else *gpfdat |= ((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));break;}case 1:{if(val == 1) *gpfdat &= ~(1<<4); else *gpfdat |= (1<<4);break;}case 2:{if(val == 1)*gpfdat &= ~(1<<5);else*gpfdat |= (1<<5);break;}case 3:{if(val == 1) *gpfdat &= ~(1<<6); else *gpfdat |= (1<<6);break;}}
/* if(val == 1)*gpfdat &= ~((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));else*gpfdat |= ((1<<4) | (1<<5) | (1<<6));*///copy_to_user()//printk("led_drv_write\n");return 0;
}static struct file_operations led_drv_fops = {.owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */.open = led_drv_open, .write = led_drv_write,
};
int major;
static int led_drv_init(void)
{major = register_chrdev(0, DEV_NAME, &led_drv_fops); // register chrdev. to major (major, "drv name", file operations);//To file_operations classleddrv_class = class_create(THIS_MODULE, "leddrv");if(IS_ERR(leddrv_class)) // error{printk( "ERROR creat key class");}//creat device leddrv_class_dev[0] = class_device_create(leddrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "ledall"); int minor;for(minor = 1; minor < 4; minor++){leddrv_class_dev[minor] = class_device_create(leddrv_class, NULL, MKDEV(major, minor), NULL, "led%d", minor);if(unlikely(IS_ERR(leddrv_class_dev[minor])))return PTR_ERR(leddrv_class_dev[minor]);}//remap phcical addressgpfcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000050, 16); //remap LED GPFCPNgpfdat = gpfcon + 1; //remap LED GPFDATprintk("initialized complete\n");return 0;
}static void led_drv_exit(void)
{unregister_chrdev(major, DEV_NAME); // 卸载int minor;for(minor = 0; minor < 4; minor ++){class_device_unregister(leddrv_class_dev[minor]);}class_destroy(leddrv_class);iounmap(gpfcon); // unmap virtual address
}module_init(led_drv_init); //When install drv, system will find init function
module_exit(led_drv_exit); // Uinstall drvMODULE_LICENSE("GPL");3.2. 完善应用程序
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>// led_drv <on|off> <dev>void print_tips(char *app_name)
{printf("Tips:\n");printf("%s <on|off> <dev>", app_name);printf("eg.\n");printf("%s <on|off> /dev/ledall\n", app_name);printf("%s <on|off> /dev/led1\n", app_name);printf("%s <on|off> /dev/led2\n", app_name);printf("%s <on|off> /dev/led3\n", app_name);
}
int main(int argc, char **argv)
{int fd;int val = 1;char *dev_list = argv[2];fd = open(dev_list, O_RDWR);if (fd < 0){printf("can't open!\n");}if(argc != 3) // input {print_tips(argv[0]);return 0;}if(strcmp(argv[1],"on") == 0)val = 1;elseval = 0;write(fd, &val, 4);return 0;
}后面就和之前的操作一样了 看码！！
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