驱动开发学习之新旧字符设备接口，自动创建设备的点灯

devtools/2024/12/22 19:08:54/

1.前言

本章将介绍新旧字符设备接口,以及自动创建设备节点的点灯实验。

2.实验原理介绍

2.1.寄存器知识

学习过单片机的兄弟都知道，点灯有以下步骤：

（1）开启相应的GPIO时钟

（2）如果需要配置复用，就配置一下复用寄存器

（3）设置一下电气属性

（4）设置一下GPIO口的输入输出方向

（5）设置或者读取数据

按照这些步骤依次配置寄存器就可。（驱动里面直接操作寄存器是不是感觉有点low，没事，后面会介绍设备树的写法）

2.2.mmu介绍

在linux里面，是不能直接操作寄存器的物理地址的，操作的都是虚拟地址，因为linux里面有mmu这个器件，这是linux和单片机最大的一个区别所在了。MMU 全称叫做 Memory Manage Unit，也就是内存管理单元。

MMU 主要完成的功能如下：
①、完成虚拟空间到物理空间的映射。
②、内存保护，设置存储器的访问权限，设置虚拟存储空间的缓冲特性。 

2.3.虚拟地址与物理地址转换接口

既然不能操作物理地址，那得将物理地址换虚拟地址，驱动里面才可以使用了，linux提供了下面两个接口：

2.3.1.ioremap 函数

作用：ioremap 函数用于获取指定物理地址空间对应的虚拟地址空间，定义在

arch/arm/include/asm/io.h 文件中 
#define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), 
MT_DEVICE)void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size, 
unsigned int mtype)
{return arch_ioremap_caller(phys_addr, size, mtype,__builtin_return_address(0));
}

参数：

phys_addr：要映射的物理起始地址

size：要映射的内存空间大小，字节大小

mtype：ioremap 的类型，可以选择 MT_DEVICE、MT_DEVICE_NONSHARED、 MT_DEVICE_CACHED 和 MT_DEVICE_WC，ioremap 函数选择 MT_DEVICE

返回值：__iomem 类型的指针，指向映射后的虚拟空间首地址。

2.3.2.iounmap 函数

作用：卸载驱动的时候需要使用 iounmap 函数释放掉 ioremap 函数所做的映射

void iounmap (volatile void __iomem *addr)

参数：

addr，此参数就是要取消映射的虚拟地址空间首地址

2.4.内存访问函数

2.4.1.读操作函数

u8 readb(const volatile void __iomem *addr)
u16 readw(const volatile void __iomem *addr)
u32 readl(const volatile void __iomem *addr)

 readb、readw 和 readl 这三个函数分别对应 8bit、16bit 和 32bit 读操作

参数 addr 就是要 读取写内存地址，返回值就是读取到的数据

2.4.2.写操作函数

void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr)
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr)
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr)

 writeb、writew 和 writel 这三个函数分别对应 8bit、16bit 和 32bit 写操作

参数 value 是要 写入的数值，addr 是要写入的地址

3.测试例子

3.1.旧字符设备的接口例子

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>#define LED_MAJOR		200		/* 主设备号 */
#define LED_NAME		"led" 	/* 设备名字 */#define LEDOFF 	0				/* 关灯 */
#define LEDON 	1				/* 开灯 *//* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)	/** GPIO1 时钟 */
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E0068)	/** GPIO1复用寄存器 */
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E02F4)	/** GPIO1 电气属性 */
#define GPIO1_DR_BASE				(0X0209C000)	/** GPIO1数据 */
#define GPIO1_GDIR_BASE				(0X0209C004)	/** GPIO1方向*//* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;/** @description		: LED打开/关闭* @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED* @return 			: 无*/
void led_switch(u8 sta)
{u32 val = 0;if(sta == LEDON) {val = readl(GPIO1_DR);val &= ~(1 << 3);	writel(val, GPIO1_DR);}else if(sta == LEDOFF) {val = readl(GPIO1_DR);val|= (1 << 3);	writel(val, GPIO1_DR);}	
}/** @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;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release = 	led_release,
};/** @description	: 驱动出口函数* @param 		: 无* @return 		: 无*/
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);	/* 清楚以前的设置 */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;
}/** @description	: 驱动出口函数* @param 		: 无* @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);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("seven");

3.2.新字符设备-自动创建设备例子

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>#define LED_MAJOR		200		/* 主设备号 */
#define LED_NAME		"led" 	/* 设备名字 */#define LEDOFF 	0				/* 关灯 */
#define LEDON 	1				/* 开灯 */#define NEWCHR_CNT			1		  	/* 设备号个数 */
#define NEWCHR_NAME			"newchr_led"	/* 设备名 *//* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)	/** GPIO1 时钟 */
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E0068)	/** GPIO1复用寄存器 */
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E02F4)	/** GPIO1 电气属性 */
#define GPIO1_DR_BASE				(0X0209C000)	/** GPIO1数据 */
#define GPIO1_GDIR_BASE				(0X0209C004)	/** GPIO1方向*//* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;/* newchr设备结构体 */
struct newchr_dev{dev_t devid;			/* 设备号 	 */struct cdev cdev;		/* cdev 	*/struct class *class;		/* 类 		*/struct device *device;	/* 设备 	 */int major;				/* 主设备号	  */int minor;				/* 次设备号   */
};struct newchr_dev newchr;	/* newchr设备 *//** @description		: LED打开/关闭* @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED* @return 			: 无*/
void led_switch(u8 sta)
{u32 val = 0;if(sta == LEDON) {val = readl(GPIO1_DR);val &= ~(1 << 3);	writel(val, GPIO1_DR);}else if(sta == LEDOFF) {val = readl(GPIO1_DR);val|= (1 << 3);	writel(val, GPIO1_DR);}	
}/** @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;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release = 	led_release,
};/** @description	: 驱动出口函数* @param 		: 无* @return 		: 无*/
static int __init led_init(void)
{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);	/* 清楚以前的设置 */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);/* 注册字符设备驱动 *//* 1、创建设备号 */if (newchr.major) {		/*  定义了设备号 */newchr.devid = MKDEV(newchr.major, 0);register_chrdev_region(newchr.devid, NEWCHR_CNT, NEWCHR_NAME);} else {						/* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&newchr.devid, 0, NEWCHR_CNT, NEWCHR_NAME);	/* 申请设备号 */newchr.major = MAJOR(newchr.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */newchr.minor = MINOR(newchr.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */}printk("newchenewchr major=%d,minor=%d\r\n",newchr.major, newchr.minor);	/* 2、初始化cdev */newchr.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&newchr.cdev, &led_fops);/* 3、添加一个cdev */cdev_add(&newchr.cdev, newchr.devid, NEWCHR_CNT);/* 4、创建类 */newchr.class = class_create(THIS_MODULE, NEWCHR_NAME);if (IS_ERR(newchr.class)) {return PTR_ERR(newchr.class);}/* 5、创建设备 */newchr.device = device_create(newchr.class, NULL, newchr.devid, NULL, NEWCHR_NAME);if (IS_ERR(newchr.device)) {return PTR_ERR(newchr.device);}return 0;
}/** @description	: 驱动出口函数* @param 		: 无* @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 */cdev_del(&newchr.cdev);/*  删除cdev */unregister_chrdev_region(newchr.devid, NEWCHR_CNT); /* 注销设备号 */device_destroy(newchr.class, newchr.devid);class_destroy(newchr.class);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("seven");

3.3.测试的应用程序

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"/** @description		: main主程序* @param - argc 	: argv数组元素个数* @param - argv 	: 具体参数* @return 			: 0 成功;其他 失败*/
int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;unsigned char databuf[1];if(argc != 3){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];/* 打开led驱动 */fd = open(filename, O_RDWR);if(fd < 0){printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);return -1;}databuf[0] = atoi(argv[2]);	/* 要执行的操作：打开或关闭 *//* 向/dev/led文件写入数据 */retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));if(retvalue < 0){printf("LED Control Failed!\r\n");close(fd);return -1;}retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */if(retvalue < 0){printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);return -1;}return 0;
}

4.实验结果：

4.1.新字符设备接口，自动创建设备的测试程序

加载驱动之后，会自动创建/dev/newchr_led这个设备，应用层就可以对该设备操作，完成点灯操作了。

4.2.旧版本字符设备

加载字符设备之后，需要自己通过mknod命令创建设备，如下：

5.总结

点灯已经完成了，但是不难发现还是有一些不好的问题出现：

（1）寄存器的地址写在代码里面，耦合程度太高，移植难度提高

（2）自动创建设备这种接口，感觉像模板一样，linux系统是否有直接可以使用的框架，或者子系统，帮我们快速开发呢？

答案是有的。带着问题出发，后面章节，我们将一 一探索这些问题的答案。


http://www.ppmy.cn/devtools/46326.html

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