正点原子I.MX6U-MINI驱动篇1字符设备驱动开发-Hello驱动(不涉及硬件操作)

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了正点原子I.MX6U-MINI驱动篇1字符设备驱动开发-Hello驱动(不涉及硬件操作)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要：搞嵌入式有两个方向，一个是嵌入式软件开发(MCU方向)，另一个是嵌入式软件开发(Linux方向)。其中MCU方向基本是裸机开发和RTOS开发。而Linux开发方向又分为驱动开发和应用开发。其中应用开发相比于驱动开发来说简单一些，因为搞驱动请你要和Linux内核打交道。而我们普通的单片机开发就是应用开发，和Linux开发没多大区别，单片机你去调别人写好的库，Linux应用你也是调别人的驱动程序。

很多人学习的路线是：单片机到RTOS，再到Linux，这个路线其实是非常好，循序渐进。因为你学了单片机，所以你对RTOS的学习会很容易理解，单片机+RTOS在市面上也可以找到一个很好的工作。因为你学了RTOS，你会发现Linux驱动开发其实和RT-Thread的驱动程序非常像，其实RT-Thread驱动大概率可能是仿Linux驱动而写的。所以如果你现在在学RT-Thread，那么你后面去搞Linux驱动也是非常容易上手。

当然做驱动去之前你还是要学习一下ubuntu操作系统、ARM裸机和linux系统移植，其目的就是为学习嵌入式linux驱动开发做准备。

话不多说先来一个hello驱动程序。

在Linux中，驱动分为三大类：

  • 字符设备驱动
    • 字符设备驱动是占用篇幅最大的一类驱动，因为字符设备最多，从最简单的点灯到 I2C、SPI、音频等都属于字符设备驱动的类型。
  • 块设备驱动
    • 块设备和网络设备驱动要比字符设备驱动复杂，就是因为其复杂所以半导体厂商一般都给我们编写好了，大多数情况下都是直接可以使用的。
    • 所谓的块设备驱动就是存储器设备的驱动，比如 EMMC、NAND、SD 卡和 U 盘等存储设备，因为这些存储设备的特点是以存储块为基础，因此叫做块设备。
  • 网络设备驱动
    • 网络设备驱动很好理解，不管是有线的还是无线的，都属于网络设备驱动的范畴。一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如 USB WIFI，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。

我使用的Linux内核版本为 4.1.15，其支持设备树Device tree。开发板是正点原子送的Linux-MINI板，你用其他家的板子也是一样的，没有任何影响。

一、字符设备驱动简介

字符设备是Linux驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、IIC、SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

那么在Linux下的应用程序是如何调用驱动程序的呢？Linux 应用程序对驱动程序的调用如图所示：

在Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在/dev目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为/dev/xxx(xxx是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。

写驱动的人必须要懂linux内核，因为驱动程序就是根据内核的函数去写的，写应用的人不需要懂linux内核，只需要熟悉驱动函数就可以了。

比如现在有个叫做/dev/led的驱动文件，是led灯的驱动文件。应用程序使用open函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用close函数关闭/dev/led 这个文件。open和 close 就是打开和关闭led驱动的函数，如果要点亮或关闭led，那么就使用write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开led的控制参数。如果要获取led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。

应用程序运行在用户空间，而Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用open函数打开/dev/led这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。

open、close、write 和read等这些函数是由C库提供的，在Linux系统中，系统调用作为C库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如图所示：

其中关于C库以及如何通过系统调用“陷入”到内核空间这个我们不用去管，我们关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了open这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为open的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数。

在Linux内核文件include/linux/fs.h中有个叫做file_operations的结构体，此结构体就是Linux内核驱动操作函数集合，我们可以将linux内核文件下载下来，然后用source insight打开看看。内容如下所示：

点击此处下载linux内核源码

struct file_operations 
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
	int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	int (*check_flags)(int);
	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
			  loff_t len);
	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
;

  • 第 1589 行，owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE。
  • 第 1590 行，llseek函数用于修改文件当前的读写位置。
  • 第 1591 行，read函数用于读取设备文件。
  • 第 1592 行，write函数用于向设备文件写入(发送)数据。
  • 第 1596 行，poll是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
  • 第 1597 行，unlocked_ioctl函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的ioctl函数对应。
  • 第 1598 行，compat_ioctl函数与unlocked_ioctl函数功能一样，区别在于在64位系统上，32位的应用程序调用将会使用此函数。在32位的系统上运行32位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。
  • 第 1599 行，mmap函数用于将将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如LCD驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
  • 第 1601 行，open 函数用于打开设备文件。
  • 第 1603 行，release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。
  • 第 1604 行，fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。
  • 第 1605 行，aio_fsync函数与 fasync 函数的功能类似，只是aio_fsync是异步刷新待处理的数据。

二、字符设备驱动开发

学习裸机或者STM32的时候关于驱动的开发就是初始化相应的外设寄存器，在Linux驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器，这个是毫无疑问的。只是在Linux驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动，所以说学Linux驱动开发重点是学习其驱动框架。

2.1 APP打开的文件在内核中如何表示

APP使用open函数打开文件时，可以得到一个整数，这个整数被称为文件句柄。对于APP的每一个文件句柄，在内核里面都有一个struct file与之对应。

我们使用open打开文件时，传入的 flags、mode等参数会被记录在内核中对应的struct file结构体里(f_flags、f_mode)：

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

去读写文件时，文件的当前偏移地址也会保存在struct file结构体的f_pos成员里。

打开字符设备节点时，内核中也有对应的struct file注意这个结构体中的结构体：struct file_operations *f_op，这是由驱动程序提供的。

结构体struct file_operations的定义如下，上面也讲过了。

2.2 编写驱动程序的步骤

  • 1、确定主设备号，也可以让内核分配。
  • 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。

2.3 试验程序编写

应用程序调用open函数打开hello_drv这个设备，打开以后可以使用write 函数向hello_drv的写缓冲区writebuf中写入数据(不超过 100 个字节)，也可以使用read函数读取读缓冲区readbuf中的数据操作，操作完成以后应用程序使用close函数关闭chrdevbase设备。

hello_drv.c

#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 = 200;
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  */
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);


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);


static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)

	printk("%s %s line %d\\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;


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 retvalue;
	
	printk("%s %s line %d\\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	retvalue = register_chrdev(major, "hello_drv", &hello_drv);  /* /dev/hello */
	if(retvalue < 0)
		printk("chrdevbase driver register failed\\r\\n");
	
	printk("chrdevbase init!\\r\\n");
	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__);
	unregister_chrdev(major, "hello_drv");



/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点   */
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zhiguoxin");

2.4 测试程序编写

驱动编写好以后是需要测试的，一般编写一个简单的测试APP，测试APP运行在用户空间。测试APP很简单通过输入相应的指令来对hello_drv设备执行读或者写操作。

hello_drv_test.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/*
app测试
./hello_drv_test -w www.zhiguoxin.cn
./hello_drv_test -r
*/
int main(int argc, char **argv)

	int fd;
	char buf[1024];
	int len;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc < 2) 
	
		printf("Usage: %s -w <string>\\n", argv[0]);
		printf("       %s -r\\n", argv[0]);
		return -1;
	

	/* 2. 打开文件 */
	fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
	if (fd == -1)
	
		printf("can not open file /dev/hello\\n");
		return -1;
	

	/* 3. 写文件或读文件 */
	if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
	
		len = strlen(argv[2]) + 1;
		len = len < 1024 ? len : 1024;
		write(fd, argv[2], len);
	
	else
	
		len = read(fd, buf, 1024);		
		buf[1023] = '\\0';
		printf("APP read : %s\\n", buf);
	
	close(fd);
	return 0;

这里的代码很简单就不用再说了，这是linux应用开发的知识。

2.5 编写Makefile

KERNELDIR := /home/zhiguoxin/linux/IMX6ULL/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := hello_drv.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
	$(CROSS_COMPILE)arm-linux-gnueabihf-gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c 
clean:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
  • 第1行，KERNELDIR表示开发板所使用的Linux内核源码目录，使用绝对路径，大家根据自己的实际情况填写。
  • 第2行，CURRENT_PATH表示当前路径，直接通过运行pwd命令来获取当前所处路径。
  • 第3行，obj-m表示将hello_drv.c这个文件编译为hello_drv.ko模块。
  • 第8行，具体的编译命令，后面的modules表示编译模块，-C表示将当前的工作目录切换到指定目录中，也就是KERNERLDIR目录。M表示模块源码目录，make modules命令中加入M=dir以后程序会自动到指定的 dir 目录中读取模块的源码并将其编译为.ko 文件。
  • 第9行，使用交叉编译工具链将hello_drv_test.c编译成可以在arm板子上运行的hello_drv_test可执行文件。

Makefile 编写好以后输入make命令编译驱动模块，编译过程如图所示

有时候你可能遇到下面的错误

这个错误的原因是ubuntu中的linux源码没有编译导致的，使用下面的命令将源码编译一遍就好了。

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_v7_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

编译成功以后就会生成一个叫做hello_drv.ko的文件，此文件就是hello_drv设备的驱动模块。至此，hello_drv设备的驱动就编译成功。

2.6 运行测试

2.6.1 上传程序到开发板执行

开发板启动后通过NFS挂载Ubuntu目录的方式，将相应的文件拷贝到开发板上。简单来说，就是通过NFS在开发板上通过网络直接访问ubuntu虚拟机上的文件，并且就相当于自己本地的文件一样。

因为我的代码都放在/home/zhiguoxin/myproject/alientek_drv_development_source这个目录下，所以我们将这个目录作为NFS共享文件夹。设置方法参考移植SQLite3、OpenCV到RV1126开发板上开发人脸识别项目第一章。

Ubuntu IP为192.168.10.100，一般都是挂载在开发板的mnt目录下，这个目录是专门用来给我们作为临时挂载的目录。

然后使用MobaXterm软件通过SSH访问开发板。

ubuntu ip:192.168.10.100
windows ip:192.168.10.200
开发板ip:192.168.10.50

在开发板上执行以下命令就可以实现挂载了：

mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.10.100:/home/zhiguoxin/myproject/alientek_drv_development_source /mnt

就将开饭的mnt目录挂载在ubuntu的/home/zhiguoxin/myproject/alientek_drv_development_source目录下了。这样我们就可以在Ubuntu下修改文件，然后可以直接在开发板上执行可执行文件了。当然我这里的/home/zhiguoxin/myproject/和windows之间是一个共享目录，我也可以直接在windows上面修改文件，然后ubuntu和开发板直接进行文件同步了。

2.6.2 加载驱动模块

驱动模块hello_drv.ko和hello_drv_test可执行文件都已经准备好了，接下来就是运行测试。这里我是用挂载的方式将服务端的项目文件夹挂载到arm板的mnt目录，进入到/mnt/01_hello_drv目录输入如下命令加载hello_drv.ko驱动文件：

insmod hello_drv.ko

如果模块加载成功，不会有任何提示，如果失败会有提示，可能会出错的是你的模块版本和你的arm板内版本不一致。

输入lsmod命令即可查看当前系统中存在的模块

lsmod

当前系统只有hello_drv这一个模块。输入如下命令查看当前系统中有没有hello_drv这个设备：

cat /proc/devices

可以看出，当前系统存在hello_drv这个设备&#

以上是关于正点原子I.MX6U-MINI驱动篇1字符设备驱动开发-Hello驱动(不涉及硬件操作)的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

正点原子I.MX6U-MINI驱动篇5 LED驱动程序框架：从分层到分离（非常重要）

正点原子I.MX6U-MINI驱动篇4Linux设备树详解

正点原子I.MX6U-MINI驱动篇2嵌入式 Linux驱动开发之点灯大法

正点原子I.MX6U-MINI移植篇rootfs移植过程详解

正点原子I.MX6U-MINI移植篇rootfs移植过程详解

正点原子I.MX6U-MINI应用篇3Framebuffer应用编程，操作屏幕