Linux字符设备驱动-详解与实操：驱动架构、设备树、Pinctrl子系统和GPIO子系统、platform、设备树下的platform

如何编写一个驱动程序：

（1）确定主设备号

（2）定义自己的file_operations结构体：

包含对应的open(drv_open)/read(drv_read)等设备操作函数，需要到内核中去注册

（3）实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体

（4）把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序

要把file_operations结构体注册到内核中，应用程序才能调用对应的操作函数

（5）谁来注册驱动程序啊？得由一个入口函数：安装设备驱动程序时，就会去调用这个入口函数

用register_chrdev（major（设备号），file_operations）

注册的设备放入chrdevs[ ]数组里记录

（6）有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，会去调用这个出口函数

用unregister_chardev( )

从chrdevs[ ]数组中去掉该设备

（7）其他完善“提供设备信息，自动创建设备节点

设备节点创建：class_create、device_create

每一步的代码详解

驱动框架：最简单的驱动程序-单个LED

1、字符设备名字在注册设备号时指定：“100ask_led”

字符设备驱动注册

register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)

第一个参数：主设备号，0由系统分配

第二个参数：字符设备名字

第三个参数：要注册的file_operation结构体

返回值：major为0时，返回一个自动分配的设备号

设备号分配为240

2、类和设备节点创建

类：同一个类别的设备，比如led中的led0、led1

设备节点：具体有几个设备，通过对具体的设备节点操作

每个设备节点都是一个文件，对设备的操作也是对文件的读取和写入

（1）设备类创建：

class_create(struct module *owner, const char *name)

第一个参数：拥有这个类的指针，‘THIS_MODULE’宏，代表当前加载的模块

第二参数：设备类名字。该名字位于/sys/class目录下。

是udev等用户空间工具用来识别和操作设备的关键标识。

sys/class中可以查看已经创建的类

（2）设备节点创建：

device_create(struct class *class, struct device *parent,

dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)

第一个参数：设备类的指针

第二个参数：父设备的指针，一般为NULL

第三个参数：设备类型和编号的组成，MKDEV宏生成，代表设备的主设备号和次设备号

第四个参数：用于传递数据，可设为NULL。

第五个参数：设备节点的名字

/dev/中可查看创建的设备

3、字符设备驱动、设备类、设备节点的销毁

（1）设备节点销毁

device_destroy（）：第一个参数，设备类指针，哪个设备类。第二个参数：MKDEV宏，指定设备的主设备号和次设备号

（2）设备类销毁

class_destroy（）：第一个参数，设备类指针。

（3）设备驱动销毁

unregister_chrdev（）：第一个参数，要销毁的主设备号，第二个参数，字符设备名字

4、寄存器变量：

（1）寄存器变量定义

volatile防止编译器优化

定义的变量为指针（地址），赋值的值就是指向一个地址

（2）寄存器变量映射

映射到实际的地址空间中

ioremap（）：

第一个参数：需要映射的物理地址起始点

第二个参数：要映射的内存区域大小，单位字节

（3）对寄存器的操作

5、file_operation函数

（1）结构体成员初始化

操作符（.）用于访问结构体的成员，.fb_fillrect = cfb_fillrect这行代码是在初始化一个结构体时使用的语法，这种语法特别用于结构体的直接初始化。

在C语言中，当你使用一个函数的名称而不加任何括号时，你实际上是在引用那个函数的地址。（即函数名作为地址使用）

结构体在内核中的定义：

struct file_operations {

struct module *owner;

ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

int (*open)(struct inode *, struct file *);

// 其他成员...

};

（2）成员变量初始化的函数：

a、设备打开操作函数

led_open（）：

第一个参数：指向‘inode’结构体

‘inode’中记录了文件数据本身外的所有信息，比如文件权限、文件大小等

‘inode’结构体可以获取主、次设备号

通过‘inode’的‘i_cdev’字段，驱动可以访问与设备相关联的‘cdev’结构，该结构包含设备的核心信息和操作

第二个参数：指向‘struct file’结构体的指针，表示用户打开的文件描述符。

该结构体是用户程序与内核之间的关键接口。

b、写操作函数:

led_write（）：

第一个参数：指向‘struct file’结构体的指针，表示打开的文件对象

其中的‘private_data’字段可用来存储特定于设备的数据

第二个参数：要写入设备的数据缓冲区

第三个参数：buf的数据字节数

第四个参数：文件当前位置的偏移量（不支持寻址的设备不重要）

6、应用层：

argc：传递给程序的参数总数

argv：指针数组，每个元素指向一个字符数组的指针（字符串）

argv[1]：/dev/myled 设备节点名字

fd：文件描述符，整数，标识要写入的文件或设备

argv[2]：on

fd：文件描述符

&status：指向数据缓冲区的指针

Count：要写入的字节数，指定‘buf’中有多少数据

驱动代码：led_drv.c

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/wait.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/io.h>static int major;
static struct class *led_class;/* registers */
//IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3地址：0x02290000 + 0x14
static volatile unsigned int *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3;//GPIO5_GDIR地址：0x020AC004
static volatile unsigned int *GPIO5_GDIR;//GPIO5_DR地址：0x020AC000
static volatile unsigned int *GPIO5_DR;static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{char val;int ret;/* copy_from_user : get data from app */ret = copy_from_user(&val, buf, 1);/* to set gpio register: out 1/0 */if(val){/* set gpio to let led on  */*GPIO5_DR &= ~(1<<3);				//输出低电平，根据原理图低电平点亮}else{/* set gpio to let led off  */*GPIO5_DR |= (1<<3);                //输出高电平}return 1;
}static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){/* enable gpio5* configure gpio5_io3 as gpio* configure gpio5_io3 as output */*IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 &= ~0xf;     //先清零低4位*IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 |= 0x05;     //低4位配置101*GPIO5_GDIR |= (1<<3);return 0;}static struct file_operations led_fops = {.owner		= THIS_MODULE,.write		= led_write,.open		= led_open,
};
/* 入口函数 */
static int __init led_init(void)
{printk("%s %s %d/n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/* 加载字符驱动 */major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_fops);/* ioremap *///IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3地址：0x02290000 + 0x14IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(0x02290000 + 0x14, 4);     //映射4个字节//GPIO5_GDIR地址：0x020AC004GPIO5_GDIR = ioremap(0x020AC004, 4);//GPIO5_DR地址：0x020AC000GPIO5_DR = ioremap(0x020AC000, 4);/* 创建设备节点 */led_class = class_create(THIS_MODULE, "myled");                     //要在THIS_MODULE下创建类device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "myled0");//device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, 1), NULL, "myled1");return 0; 
}static void __exit led_exit(void)
{/* iounmap */iounmap(IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3);iounmap(GPIO5_GDIR);iounmap(GPIO5_DR);/* 销毁设备节点 */device_destroy(led_class, MKDEV(major, 0));class_destroy(led_class);/* 销毁字符设备驱动 */unregister_chrdev(major, "100ask_led");
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

应用代码：ledtest.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>// ledtest /dev/myled0 on
// ledtest /dev/myled0 offint main(int argc, char **argv)
{int fd;char status = 0;if(argc != 3){printf("Usage: %s <dev> <on/off>\n", argv[0]);printf("   eg: %s /dev/myled0 on\n", argv[0]);printf("   eg: %s /dev/myled0 off\n", argv[0]);return -1;}//openfd = open(argv[1], O_RDWR);if (fd < 0){printf("can not open %s \n", argv[0]);}//writeif(strcmp(argv[2], "on")==0){status = 1;}write(fd, &status, 1);return 0;
}

多个按键：

要对GPIO5_1和GPIO4_14配置（key1和key2）

1、定义GPIO通用设置的结构体（按照手册中寄存器的位置）

（1）GPIO_DR：Data register

数据寄存器（读取或写入GPIO引脚当前状态）

（2）GPIO_GDIR：GPIO direction

方向寄存器（配置GPIO输入或输出）

（3）GPIO_PSR：Pad sample register

读取GPIO引脚当前状态（高电平或低电平）

（4）GPIO_ICR1, GPIO_ICR2：Interrupt control registers

终端控制寄存器（配置GPIO引脚终端触发方式和其他中断相关设置）

（5）GPIO_EDGE_SEL：Edge select register

边沿选择寄存器（配置GPIO引脚的边沿触发类型）

（6）GPIO_IMR：Interrupt mask register

中断屏蔽寄存器（配置哪些GPIO引脚中断应该被屏蔽）

（7）GPIO_ISR：Interrupt status register

中断状态寄存器（显示当前GPIO引脚的中断状态）

2、配置过程：

（1）定义要寄存器变量（要修改的寄存器）

GPIO时钟使能、GPIO模式配置、GPIO模式下引脚配置

（2）手册中找到相应的地址，重映射

CCM_CCGR1中30-31为默认保留位，默认使能GPIO5

CCM_CCGR3中12-13位为gpio_4的时钟配置

对GPIO各寄存器的映射（按照地址顺序下来，只需要找到首个寄存器GPIOxx_DR的地址就好）

（3）给寄存器赋值

时钟配置11，第30、31位：（3<<30），对gpio的访问，从结构体中找到对应的成员变量即可

Linux内核中因为MMU的存在不能直接访问物理地址，需要通过ioremap把虚拟地址映射到对应的物理地址，我们对虚拟地址的访问，会自动修改到对应的物理地址。而结构体寄存器会映射整块对应大小的内存，里面的虚拟地址和物理地址也是一一对应的关系

3、如何指定操作哪个设备

（1）通过传参which，指定该类下要操作的设备

init进行寄存器的初始化，read实现Key状态的读取（状态寄存器的读取）

CCM_CCGR1若未有值（未映射），则先完成寄存器的映射。

（2）operation操作函数中，获取要操作的次设备号，调用init或read函数

从inode设备节点中，获取次设备号，在调用操作函数

若无inode，则先从file结构体中获取inode结构体，再从中获取次设备号。

（3）设备的创建和销毁：

创建

销毁

驱动代码：

设备树：

在设备树中指定硬件资源的描述（对LED操作）

设备树加载后，可以进入/proc/device-tree/目录下查看根节点下的节点。

1、设备树dts文件：添加led节点

设备树中的节点由一堆属性组成，不同设备需要的属性不同

（1）#address-cells、#size-cells属性：

cell指一个32位的数值，

#address-cells决定子节点reg属性中地址信息所占用的字长（32字节）

#size-cells决定子节点reg属性中长度信息所占的字长

该节点用1个数表示地址，1个数表示大小

（2）compatible属性：

值为字符串列表，可能有多个驱动支持它（多个字符串）

将设备和驱动绑定起来，通过compatible中的名字找到要加载probe的驱动模块

（3）status属性：

设备状态

“okay”：表明设备是可操作的

“disabled”：表示当前设备不可操作（禁用掉），但在未来可变为可操作的

“fail”：表明设备不可操作，检测到错误，不大可能变为可操作

“fail-sss”：含义与“fail”相同，后面的sss部分是检测到的错误内容

（4）reg属性：

reg属性的值一般是（address，length）对。

一般用于描述设备地址空间资源信息，一般是某个外设的寄存器地址范围信息。

2、驱动程序：获取硬件资源（获取设备树中的属性数据）

led_init（）函数中

（1）获取设备节点：alphaled

获取设备节点后，才能获取属性内容

of_find_node_by_path()：

用于操作设备树的函数，主要作用是根据给定的设备树路径来查找并返回对应的设备树节点。

参数：设备树中的一个路径，根节点开始的绝对路径。

dtsled.nd为device_node结构体的指针

（2）获取设备节点属性，包括reg

获取compatible属性内容

获取status属性内容

获取reg属性内容，必须要先获取设备节点dtsled.nd

of_property_read_u32_array( );

从设备节点中读取一个包含多个'u32'元素的属性到一个用户提供的数组中。

第一个参数：指向设备树节点的指针

第二个参数：要读取的设备树属性的名称。

第三个参数：用户提供的数组，用于存储读取到的数据。

第四个参数：希望读取到的元素的数量。

（3）寄存器地址映射

其他对寄存器的操作一样

Pinctrl和GPIO子系统：

省去了对硬件的寄存器的复杂配置（对LED操作）

Pinctrl：设置pin的复用和电气属性

GPIO子系统：若pinctcl子系统将一个pin复用为GPIO的话，接下里就会用到gpio子系统了

用于初始化gpio并提供相应的API函数，对gpio操作

设备树：

1、pinctrl节点：

在 iomuxc 节点的 imx6ul-evk 子节点下创建一个名为“pinctrl_led”的子节点

（1）label：node-name@unit-address

label：方便访问节点，可以通过&label来访问这个节点。

node-name：节点名字。

unit-address：设备的地址或寄存器首地址，若节点没有地址或寄存器，可以不要。

（2）MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03

MX6UL - 表示芯片或处理器的型号

PAD_GPIO1_IO03 - 引脚的物理位置或名称

GPIO1_IO03 - 引脚的复用功能，复用为GPIO1的第03号引脚

（3）0x10B0：引脚配置寄存器的值，定义了引脚的各种电气属性。

如上拉/下拉电阻、驱动能力、速度等

在这一步已经完成了引脚的配置

2、LED设备节点

在根节点“/”下创建LED灯节点，节点名为“gpioled”

（1）pinctrl-0属性，6行：设置LED灯所使用的PIN对应的pinctrl节点。

要检测PIN是否被其他外设使用，要将其关掉（status="disabled"等）。

（2）led-gpio属性，7行：指定LED灯所使用的GPIO，GPIO1的IO03，低电平有效。

驱动程序中会获取led-gpio属性内容得到GPIO编号，因为gpio子系统的API操作函数需要GPIO编号。

驱动程序：
1、设备节点结构体定义：

2、gpio子系统控制引脚

（1）获取设备节点：

（2）获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的GPIO编号

of_get_named_gpio（）：

读取设备树中定义的GPIO属性，将其转换为GPIO编号。通过此编号可以在驱动中请求、配置和控制GPIO。

第一个参数：指向‘device_node’的指针，表示当前设备的设备树节点

第二个参数：节点中GPIO属性的名字。

第三个参数：索引，表示有多个GPIO同一属性下定义是，应选择哪一个。

（3）设置gpio为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯

gpio_direction_output（）：

Linux内核中提供的操作GPIO的函数，设置指定引脚为输出模式。

第一个参数：GPIO引脚的编号，标识要设置哪个引脚

第二个参数：设置GPIO引脚的初始电平，“1”高电平

（4）设置gpio的值

dev是指向gpioled_dev结构体的指针

gpio_set_value（）：

设置指定GPIO引脚的输出电平。

第一个参数：GPIO引脚编号。

第二个参数：设置GPIO引脚的初始电平。

Platform设备驱动（无设备树程序）：

驱动的分层和分离。

将驱动中的硬件部分分离出来为platform_device，保留的驱动为platform_driver，通过总线匹配注册probe。设备树实质上就是platform_device这部分，替代了原先需要每次编写和加载的.c文件，每次自动加载和生成platform_device。

platform结构体详解、定义和框架可参考上篇博客：
Linux驱动进化：传统模型、设备总线驱动模型、设备树-CSDN博客

1、leddevice.c硬件资源（paltform_device）：

（1）resource

struct resource：

start：资源的起始地址

end：资源的结束地址

name：资源的名称

flags：资源类型和属性标志

（2）platform_device结构体

名字为“imx6ul-led”以和platform_deriver配对

（3）注册platform_device结构体

便于通过总线bus和platform_driver配对

2、platform_driver：

（1）从platform_device中获取资源（led_probe函数）

platform_get_resource（）：
用于从平台设备中获取特定类型和序号的资源。

第一个参数：指向“platform_device”结构的指针，表示正在被操作的平台设备。

第二个参数：资源类型标志，指定要获取的资源类型。IORESOURCE_MEM表示一个内存类型的资源。

第三个参数：资源的索引，设备的资源有多个，要获取哪一个。

（2）初始化LED

设置寄存器的初始值：···省略

（3）platform_driver结构体

通过名字"imx6ul-led"和device匹配。

（4）注册platform_driver

通过bus总线和platform_driver配对后会自动调用probe函数完成资源初始化

3、匹配过程：

驱动模块加载完后，到/sys/bus/platform/drivers/目录下

led的设备文件在/sys/bus/platform/devices/目录下

驱动和设备匹配

设备树下的Platform设备驱动：

前面已经实现了设备树（加载设备树时会自动生成platform_device），这里只看platform_driver

leddriver.c

1、初始化IO

（1）从设备树中获取设备节点

（2）获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的GPIO编号

（3） Linux 内核中用于请求一个 GPIO（通用输入输出）引脚的使用权。之后操作gpio引脚

gpio_request（）：

Linux内核中用于请求一个GPIO引脚的使用权

第一个参数：要申请的GPIO引脚的编号。

第二个参数：请求的GPIO引脚相关联的标签或名称，可自定义。