1、前言

我们想要进行Linux驱动开发，首先就需要知道Linux驱动框架是什么样的？编写驱动和应用层的编写有什么区别？

2、驱动程序的分类

Linux中主要有三大类驱动类型，分别是：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。

1、字符设备驱动：因为软件操作设备是是以字节为单位进行的，是按照字节流进行读写操作的一种设备。典型的如LCD、蜂鸣器、SPI、触摸屏等驱动，都属于字符设备驱动的范畴。大部分的驱动程序都是属于字符设备驱动。

2、块设备驱动：块设备驱动是相对于字符设备驱动而定义的，因为块设备被软件操作时，是以块为单位进行操作的（块指的是多个字节组成一个块）。块设备大多指的都是各种存储类类设备，比如EMMC、SD卡、NANDFlash、U盘等等。

3、网络设备驱动：专门针对网络设备而设计的一种驱动，不管是有线还是无线网络，都属于网络设备驱动。

另外，一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如 USB WIFI设备，其使用 USB 接口，所以属于字符设备，但是其又能上网，所以也属于网络设备驱动。

驱动程序实际上起到承上启下的作用，上承应用程序，对下则实现了具体的硬件操作。

3、设备驱动程序功能

应用程序位于用户空间，驱动程序位于内核空间。Linux系统规定，用户空间不可以直接调用内核空间的函数。所以必须经过系统调用，应用程序才可以调用驱动程序的函数。

系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件， 应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，运行在核心态，它完成以下的功能：

• 对设备初始化和释放；
• 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；
• 读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；
• 检测和处理设备出现的错误；

4、驱动的基本框架

Linux驱动的基本框架包含两部分，“模块入口、出口的注册”和“模块入口、出口函数的实现”，如下方代码：

static int __init shanwuyan_init(void)    //驱动入口函数
{return 0;
}static void __exit shanwuyan_exit(void)    //驱动出口函数
{}module_init(shanwuyan_init);    //注册入口函数
module_exit(shanwuyan_exit);    //注册出口函数

其中，module_init()和module_exit()两个函数的作用是注册驱动的入口“shanwuyan_init”和出口“shanwuyan_exit”。加载驱动时会运行入口函数，卸载驱动时会运行出口函数。入口函数的作用是加载驱动时做一些初始化工作，比如注册设备、申请设备号、生成设备节点等等，其返回值为int类型；出口函数的作用是卸载驱动时做一些善后操作，比如注销设备、注销设备号、销毁类等等。

5、Hello驱动的编写

我们在编写应用程序的时候，首先也是先学会如何再电脑屏幕上输出 “helllo world”。同样的，我们编写的第一个驱动程序，也是先学会hello驱动，该驱动不涉及任何的硬件操作，而且也是属于字符设备驱动的范畴。主要实现的功能是：

1. 应用程序调用 open、read、write 等函数时，对应的驱动函数都打印出内核信息；
2. 应用程序调用 write 函数时，传入的数据保存在驱动中；
3. 应用程序调用 read 函数时，把驱动中保存的数据再返回给应用程序，并打印出来

驱动程序的编写其实也是有迹可循的，主要的编写步骤如下：

1. 确定主设备号，也可以让内核自动分配；
2. 定义自己的 file_operations 结构体；
3. 实现对应的 drv_open/drv_read/drv_write 等函数，填入 file_operations 结构体；
4. 把 file_operations 结构体告诉内核：register_chrdev；
5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数；
6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用 unregister_chrdev；
7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create, device_create；

其中，驱动程序核心中的核心就是 file_operations 这个结构体了。在这个结构体里面，就是要实现这个驱动程序自己的 open、read、write等函数，并通过Linux内核提供的接口注册到内核里面去。而其他的一些步骤都是为了遵循LInux驱动程序的编写规范，用于完善这个驱动程序的。

驱动代码的编写也不用完全都自己写，我们可以参考Linux内核提供的一些已有的驱动程序，下面我们就参考内核的一份 misc 驱动，编写我们自己的hello驱动程序，hello驱动代码如下：

#include <linux/module.h>#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static char kernel_buf[1024];
static struct class *hello_class;#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   *//** @description        : 从设备读取数据* @param - file   : 内核中的文件描述符* @param - buf      : 要存储读取的数据缓冲区（就是用户空间的内存地址）* @param - size    : 要读取的长度* @param - offset  : 相对于文件首地址的偏移量（一般读取信息后，指针都会偏移读取信息的长度）* @return            : 返回读取的字节数，如果读取失败则返回-1*/
static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{int err;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));return MIN(1024, size);
}/** @description      : 向设备写数据* @param - file    : 内核中的文件描述符* @param - buf      : 要写给设备驱动的数据缓冲区* @param - size : 要写入的长度* @param - offset  : 相对于文件首地址的偏移量* @return            : 返回写入的字节数，如果写入失败则返回-1*/
static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{int err;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));return MIN(1024, size);
}/** @description      : 打开设备* @param - node  : 设备节点* @param - file  : 文件描述符* @return           : 打开成功返回0，失败返回-1*/
static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}/** @description      : 关闭设备* @param - node  : 设备节点* @param - file  : 文件描述符* @return           : 关闭成功返回0，失败返回-1*/
static int hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations hello_drv = {.owner   = THIS_MODULE,.open    = hello_drv_open,.read    = hello_drv_read,.write   = hello_drv_write,.release = hello_drv_close,
};/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数       */
static int __init hello_init(void)
{int err;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);major = register_chrdev(0, "hello", &hello_drv);  /* /dev/hello *//* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                 */hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");err = PTR_ERR(hello_class);if (IS_ERR(hello_class)) {printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);unregister_chrdev(major, "hello");return -1;}    device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */return 0;
}/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit hello_exit(void)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));class_destroy(hello_class);unregister_chrdev(major, "hello");
}/* 指定驱动的入口和出口，以及声明自己的驱动遵循GPL协议（不声明的话无法把驱动加载进内核） */
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

hello驱动程序的几点说明：

1. 驱动程序要打印信息的时候，调用的函数是 printk ，而应用程序调用的是 printf；
2. 应用程序和驱动程序之间传递数据，不能使用简单的赋值或者memcpy等，要使用内核提供的 copy_from_user/copy_to_user 函数。当然如果需要传递大量数据的时候，还可以使用内存映射的方式；
3. 阅读一个驱动程序，首先要找到驱动程序的入口函数。上面的驱动入口函数就是hello_init函数，该函数做的事情就是向内核注册了一个 file_oprations 结构体，并且完成自动创建设备节点相关的代码；
4. file_oprations 结构体是驱动程序的核心，里面提供了本驱动 open/read/write/release 等成员，当应用程序调用了open/read/write/release 等函数时，就会导致对应驱动的这些成员函数被调用；

6、字符设备(LED)驱动程序编写实例

这里以LED的驱动程序为例给大家讲解字符设备的驱动程序的编写流程和框架。

6.1 定义file_operations结构体

static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release =     led_release,
};
/** @description       : 打开设备* @param - inode     : 传递给驱动的inode* @param - filp   : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量*                       一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return             : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}
/** @description       : 从设备读取数据 * @param - filp  : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf    : 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt  : 要读取的数据长度* @param - offt  : 相对于文件首地址的偏移* @return             : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}
/** @description       : 向设备写数据 * @param - filp   : 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf     : 要写给设备写入的数据* @param - cnt     : 要写入的数据长度* @param - offt  : 相对于文件首地址的偏移* @return             : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char ledstat;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if(retvalue < 0) {printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}ledstat = databuf[0];     /* 获取状态值 */if(ledstat == LEDON) { led_switch(LEDON);      /* 打开LED灯 */} else if(ledstat == LEDOFF) {led_switch(LEDOFF); /* 关闭LED灯 */}return 0;
}
/** @description       : 关闭/释放设备* @param - filp   : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return             : 0 成功;其他 失败*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}

6.2 编写init函数

• 寄存器地址映射；
• 使能GPIO1时钟；
• 设置GPIO1_IO03的复用功能，设置IO属性；
• 设置GPIO1_IO03为输出；
• 默认关闭LED；
• 注册字符设备驱动；

static int __init led_init(void)
{int retvalue = 0;u32 val = 0;/* 初始化LED *//* 1、寄存器地址映射 */IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);/* 2、使能GPIO1时钟 */val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);val &= ~(3 << 26);   /* 清除以前的设置 */val |= (3 << 26);   /* 设置新值 */writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为*    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。*/writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性*bit 16:0 HYS关闭*bit [15:14]: 00 默认下拉*bit [13]: 0 kepper功能*bit [12]: 1 pull/keeper使能*bit [11]: 0 关闭开路输出*bit [7:6]: 10 速度100Mhz*bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力*bit [0]: 0 低转换率*/writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */val = readl(GPIO1_GDIR);val &= ~(1 << 3);    /* 清除以前的设置 */val |= (1 << 3);    /* 设置为输出 */writel(val, GPIO1_GDIR);/* 5、默认关闭LED */val = readl(GPIO1_DR);val |= (1 << 3);    writel(val, GPIO1_DR);/* 6、注册字符设备驱动 */retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);if(retvalue < 0){printk("register chrdev failed!\r\n");return -EIO;}return 0;
}

6.3 编写exit函数

/*1. @description   : 驱动出口函数2. @param      : 无3. @return      : 无*/
static void __exit led_exit(void)
{/* 取消映射 */iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);iounmap(GPIO1_DR);iounmap(GPIO1_GDIR);/* 注销字符设备驱动 */unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}

6.4 总结

1. 定义file_operations结构体，存放文件操作函数；
2. 编写驱动入口函数init函数，完成对管脚的映射，对相关寄存器进行操作；
3. 编写驱动出口函数exit函数，取消映射，注销字符设备驱动；