Linux驱动开发之LED驱动

Posted 2020-10-26 三石居士

首先讲下字符设备控制技术 ：

大部分驱动程序除了需要提供读写设备的能力外,还需要具备控制设备的能力。比如: 改变波特率。

在用户空间，使用ioctl系统调用来控制设备，原型如下:
int ioctl(int fd,unsigned long cmd,...)
fd: 要控制的设备文件描述符
cmd: 发送给设备的控制命令
…: 第3个参数是可选的参数，存在与否是依赖于控制命令(第 2 个参数 )。

 

 

当应用程序使用ioctl系统调用时，驱动程序将由如下函数来响应：
2.6.36 之前的内核：long (*ioctl) (struct inode* node ,struct file* filp, unsigned int cmd,unsigned long arg)
2.6.36 之后的内核：long (*unlocked_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
参数cmd: 通过应用函数ioctl传递下来的命令

 

命令从其实质而言就是一个整数, 但为了让这个整数具备更好的可读性，我们通常会把这个整数分为几个段：类型（8位），序号，参数传送方向，参数长度。
Type(类型/幻数)：表明这是属于哪个设备的命令。
Number( )：序号 ，用来区分同一设备的不同命令
Direction：参数传送的方向，可能的值是 _IOC_NONE(没有数据传输), _IOC_READ, _IOC_WRITE（向设备写入参数）
Size： 参数长度

 

Linux系统提供了下面的宏来帮助定义命令:
_IO(type,nr)：不带参数的命令
_IOR(type,nr,datatype)：从设备中读参数的命令
_IOW(type,nr,datatype)：向设备写入参数的命令
例：
#define MEM_MAGIC ‘m’ //定义幻数
#define MEM_SET _IOW(MEM_MAGIC, 0, int)

 

unlocked_ioctl函数的实现通常是根据命令执行的一个switch语句。但是，当命令号不能匹配任何一个设备所支持的命令时，返回-EINVAL.
编程模型：
Switch cmd
Case 命令A：//执行A对应的操作
Case 命令B：//执行B对应的操作
Default：return -EINVAL

 

 

 

LED驱动程序是以内核模块的形式存在，首先搭好框架：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

static int led_init(void)
{

    return 0;
}

static void led_exit(void)
{

}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

 

接着定义设备结构体和设备号：

设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的字符设备在内核中使用structcdev来描述。
struct cdev {
　　　　　　　　struct kobject kobj;
　　　　　　　　struct module *owner;
　　　　　　　　const struct file_operations *ops; //设备操作集
　　　　　　　　struct list_head list;
　　　　　　　　dev_t dev; //设备号
　　　　　　　　unsigned int count; //设备数
};

struct cdev cdev;
dev_t devnum;

 

接着定义文件操作结构体：这里就实现文件打开和IO控制：

在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file，它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。

static struct file_operations led_fops =
{
    .open = led_open,
    .ioctl = led_ioctl,
};

 

接下来初始化设备，分配主设备号，注册设备：

这里说一下静态申请和动态申请：

静态申请：开发者自己选择一个数字作为主设备号，然后通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。

动态分配：使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号。 

向led_init(void)里面添加这些代码：

static int led_init(void)
{
    cdev_init(&cdev, &led_fops);                         //初始化设备     
    
    alloc_chrdev_region(&devnum, 0, 1, "myled");         //动态分配主设备号，这里的0是我们写的，如果设备在注册时候会检查，如果我们写的不行，会重新分配    
    cdev_add(&cdev, devnum, 1);                          //注册设备           
    return 0;
}    

 

然后再led_exit(void)这个函数里添加设备注销的代码，不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用unregister_chrdev_region函数释放这些设备号。

static void led_exit(void)
{
    cdev_del(&cdev);　　　　　　　　　　　　　　//删除这个设备
    unregister_chrdev_region(devnum, 1);　　//注销这个设备的设备号
}

 

接下来我们实现文件操做结构体里面的两个接口函数，就是这两个函数

 当我们在应用程序里访问这两个open和ioctl时，内核就会通过这个文件操做结构体访问led_open和led_ioctl这两个函数。如果不知道这个函数的结构，可以去Linux下找file_operations这个关键词

 

这些都是指向写的函数（比如led_open、led_ioctl这些函数）的指针，复制过来加上名字、填写参数（比如这样：int led_open(struct inode *node, struct file *filp)），就可以了。

每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode 结构，该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此, 它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构，但是却会关联一个inode 结构。
　　　　　　

　　　　首先我们要定义出硬件led的寄存器

#define GPBCON 0x56000010
#define GPBDAT 0x56000014
unsigned int *led_config;
unsigned int *led_data;

int led_open(struct inode *node, struct file *filp)
{
    led_config = ioremap(GPBCON,4);　　　　　　　　　　　　//在linux系统下操作硬件，不能直接使用物理地址，必须转化成虚拟地址，需要ioremap函数
    writel(0x400,led_config);　　　　　　　　　　　　　　　 //对一个寄存器赋值，用writel这个函数，l表示写进的是一个32位的值，这里是选择mini2440上的LED1
    
    led_data = ioremap(GPBDAT,4);
    
    return 0;
}

int led_ioctl(struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    switch(cmd)
    {
        case LED_ON:
            writel(0x00,led_data);　　　　　　//这里是点亮LED1
            return 0;
            
        case LED_OFF:
            writel(0x7ff,led_data);　　　　　//这里是熄灭LED1
            return 0;
            
        default:
            return -EINVAL;    
    }
}

 

上面代码里的LED_ON和LED_OFF是操作者的指令（cmd），需要再次定义一个led.h的文件

#define LED_MAGIC    \'L\'
#define LED_ON        _IO(LED_MAGIC,0)
#define LED_OFF       _IO(LED_MAGIC,1)

 

接着加入需要的头文件：

#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/io.h>
#include "led.h"

 

编写Makefile文件

obj-m := led.o
KDIR := /root/myhome/linux-2.6.32.2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//内核文件的目录
all :
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules CROSS_COMPILE=arm-linux- ARCH=arm　 
clean :
    rm -f *.o *.ko *.order *.symvers

 

接着编写led_app应用程序

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include "led.h"

int main(int argc, char *argv[])    //带参数的函数
{
    int fd;
    int cmd;
    
    if(argc < 2)
    {
        printf("please enter the second para!\\n");
        return 0;
    }
    
    cmd = atoi(argv[1]);
    
    fd = open("/dev/myled",O_RDWR);
    if(cmd == 1)
    {
        ioctl(fd,LED_ON);
    }
    else
    {
        ioctl(fd,LED_OFF);
    }
    
    return 0;
}

编译这个led_app的时候，一定要选取静态编译，不然下载开发板后运行会找不到动态链接库

arm-linux-gcc -static led_app.c -o led_app

 

把编译好的led.ko和led_app这两个文件通过nfs传到开发板后，显示这样

现状安装驱动insmod led.ko

然后再cat /proc/devices主设备号

主设备号是动态分配的253

这个时候再mknod /dev/myled c 253 0创建设备文件，这个文件就是led的设备文件

　　mknod　　　　创建设备文件指令

　　/dev/myled　　这是目录

　　c　　　　　　 代表字符设备文件

　　253　　　　   主设备号

　　0　　　　　　次设备号

创建好了之后就./led_app 0，这个时候会发现灯灭了

再执行./led_app 1，灯又亮了

正如代码里那样，点亮第一个灯。