驱动设计的思想：面向对象/分层/分离（以LED操作为例）

news/2024/11/20 7:46:46/

1. 面向对象

字符设备驱动程序抽象出一个file_operations结构体；
对于LED，写的程序针对硬件部分抽象出led_operations结构体。

2. 分层

上下分层，之前写的LED驱动程序就分为2层：
① 上层实现硬件无关的操作，比如注册字符设备驱动：leddrv.c
② 下层实现硬件相关的操作，比如board_A.c实现单板A的LED操作
在这里插入图片描述

见LED分层思想驱动程序框架

3. 分离

在分层思想的board_A.c中，实现了一个led_operations，为LED引脚实现了初始化函数、控制函数：

static struct led_operations board_demo_led_opr = {.num  = 1,.init = board_demo_led_init,.ctl  = board_demo_led_ctl,
};

如果硬件上更换一个引脚来控制LED怎么办？你要去修改上面结构体中的init、ctl函数。
实际情况是，每一款芯片它的GPIO操作都是类似的。比如：GPIO1_3、GPIO5_4这2个引脚接到LED：
① GPIO1_3属于第1组，即GPIO1。
有方向寄存器DIR、数据寄存器DR等，基础地址是addr_base_addr_gpio1。
设置为output引脚：修改GPIO1的DIR寄存器的bit3。
设置输出电平：修改GPIO1的DR寄存器的bit3。

② GPIO5_4属于第5组，即GPIO5。
有方向寄存器DIR、数据寄存器DR等，基础地址是addr_base_addr_gpio5。
设置为output引脚：修改GPIO5的DIR寄存器的bit4。
设置输出电平：修改GPIO5的DR寄存器的bit4。

既然引脚操作那么有规律，并且这是跟主芯片相关的，那可以针对该芯片写出比较通用的硬件操作代码。
比如board_A.c使用芯片chipY，那就可以写出：chipY_gpio.c，它实现芯片Y的GPIO操作，适用于芯片Y的所有GPIO引脚。

使用时，我们只需要在board_A_led.c中指定使用哪一个引脚即可。
程序结构如下：
在这里插入图片描述
以面向对象的思想，在board_A_led.c中实现led_resouce结构体，它定义“资源”──要用哪一个引脚。
在chipY_gpio.c中仍是实现led_operations结构体，它要写得更完善，支持所有GPIO。

代码结构如下：
在这里插入图片描述
程序仍分为上下结构：上层leddrv.c向内核注册file_operations结构体；下层chip_demo_gpio.c提供led_operations结构体来操作硬件。

下层的代码分为2个：chip_demo_gpio.c实现通用的GPIO操作，board_A_led.c指定使用哪个GPIO，即“资源”。

led_resource.h如下，定义了led_resource结构体，用来描述GPIO：

#ifndef _LED_RESOURCE_H
#define _LED_RESOURCE_H/* GPIO3_0 */
/* bit[31:16] = group（哪一组GPIO） */
/* bit[15:0]  = which pin */
#define GROUP(x) (x>>16)
#define PIN(x)   (x&0xFFFF)
#define GROUP_PIN(g,p) ((g<<16) | (p))struct led_resource {int pin;
};struct led_resource *get_led_resouce(void);#endif

board_A_led.c是头文件led_resource.h对应测C程序。指定使用哪个GPIO，它实现一个led_resource结构体，并提供访问函数：

#include "led_resource.h"/* board_A_led.c指定使用哪个GPIO，即“资源”。 */static struct led_resource board_A_led = {.pin = GROUP_PIN(3,1),	//第3组GPIO中的第1个引脚
};struct led_resource *get_led_resouce(void){return &board_A_led;
}

led_opr.h如下，

#ifndef _LED_OPR_H
#define _LED_OPR_Hstruct led_operations {int (*init) (int which); /* 初始化LED, which-哪个LED */       int (*ctl) (int which, char status); /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
};struct led_operations *get_board_led_opr(void);#endif

chip_demo_gpio.c是led_opr.h对应的C函数，首先获得board_A_led.c实现的led_resource结构体，然后再进行其他操作

#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>
#include "led_opr.h"
#include "led_resource.h"/* chip_demo_gpio.c实现通用的GPIO操作 */static struct led_resource *led_rsc;static int board_demo_led_init (int which) /* 初始化LED, which-哪个LED */	   
{	//printk("%s %s line %d, led %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which);if (!led_rsc){led_rsc = get_led_resouce();}printk("init gpio: group %d, pin %d\n", GROUP(led_rsc->pin), PIN(led_rsc->pin));switch(GROUP(led_rsc->pin)){case 0:{printk("init pin of group 0 ...\n");break;}case 1:{printk("init pin of group 1 ...\n");break;}case 2:{printk("init pin of group 2 ...\n");break;}case 3:{printk("init pin of group 3 ...\n");break;}}return 0;
}static int board_demo_led_ctl (int which, char status) /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
{//printk("%s %s line %d, led %d, %s\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, status ? "on" : "off");printk("set led %s: group %d, pin %d\n", status ? "on" : "off", GROUP(led_rsc->pin), PIN(led_rsc->pin));switch(GROUP(led_rsc->pin)){case 0:{printk("set pin of group 0 ...\n");break;}case 1:{printk("set pin of group 1 ...\n");break;}case 2:{printk("set pin of group 2 ...\n");break;}case 3:{printk("set pin of group 3 ...\n");break;}}return 0;
}static struct led_operations board_demo_led_opr = {.init = board_demo_led_init,.ctl  = board_demo_led_ctl,
};struct led_operations *get_board_led_opr(void){return &board_demo_led_opr;
}

leddrv.c，向内核注册file_operations结构体

#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>#include "led_opr.h"#define LED_NUM 2/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *led_class;
struct led_operations *p_led_opr;#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 led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset){printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}/* write(fd, &val, 1); */
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset){int err;char status;//获取次设备号struct inode *inode = file_inode(file);int minor = iminor(inode);printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);err = copy_from_user(&status, buf, 1);	//status保存用户程序发送的数据/* 根据次设备号和status控制LED */p_led_opr->ctl(minor, status);return 1;
}static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file){int minor = iminor(node);printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/* 根据次设备号初始化LED */p_led_opr->init(minor);return 0;
}static int led_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 led_drv = {.owner	 = THIS_MODULE,.open    = led_drv_open,.read    = led_drv_read,.write   = led_drv_write,.release = led_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 led_init(void){int err;int i;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_drv);  /* /dev/led */led_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_led_class");err = PTR_ERR(led_class);if (IS_ERR(led_class)) {printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);unregister_chrdev(major, "led");return -1;}for (i = 0; i < LED_NUM; i++)device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "100ask_led%d", i); /* /dev/100ask_led0,1,... */p_led_opr = get_board_led_opr();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 led_exit(void){int i;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);for (i = 0; i < LED_NUM; i++)device_destroy(led_class, MKDEV(major, i)); /* /dev/100ask_led0,1,... */device_destroy(led_class, MKDEV(major, 0));class_destroy(led_class);unregister_chrdev(major, "100ask_led");
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

ledtest.c，测试程序，应用程序

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>/** ./ledtest /dev/100ask_led0 on* ./ledtest /dev/100ask_led0 off*/
int main(int argc, char **argv){int fd;char status;/* 1. 判断参数 */if (argc != 3) {printf("Usage: %s <dev> <on | off>\n", argv[0]);return -1;}/* 2. 打开文件 */fd = open(argv[1], O_RDWR);if (fd == -1){printf("can not open file %s\n", argv[1]);return -1;}/* 3. 写文件 */if (0 == strcmp(argv[2], "on")){status = 1;write(fd, &status, 1);}else{status = 0;write(fd, &status, 1);}close(fd);return 0;
}

makefile：

# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册KERN_DIR = /home/book/100ask_roc-rk3399-pc/linux-4.4all:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules $(CROSS_COMPILE)gcc -o ledtest ledtest.c clean:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules cleanrm -rf modules.orderrm -f ledtest# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o# leddrv.c board_demo.c 编译成 100ask.ko
100ask_led-y := leddrv.o chip_demo_gpio.o board_A_led.o
obj-m	+= 100ask_led.o
  1. 编译成功(生成100ask_led.ko文件)后，继续再目录中将.ko文件和测试程序拷贝到网络文件系统中，
cp 100ask_led.ko ledtest /home/book/nfs_rootfs/
  1. 启动开发板，将虚拟机中ubuntu系统的网络文件系统目录挂载到开发板上：
mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.3.54:/home/book/nfs_rootfs /mnt
  1. 装载驱动程序，在 /mnt 目录下：
insmod 100ask_led.ko			#执行此命令后，会执行对应的 init 函数
  1. 查看是否有该驱动程序，在 /mnt 目录下：
cat  /proc/devices
  1. 查看内核中加载的驱动程序，在 /mnt 目录下：
lsmod
lsmod | grep 100ask_led
  1. 查看是否有主设备节点，在 /mnt 目录下：
ls  /dev/100ask_led-l
  1. 执行测试程序，在 /mnt 目录下：
./ledtest /dev/100ask_led on
  1. 卸载驱动程序，在 /mnt 目录下：
rmmod 100ask_led	#执行此命令后，会执行对应的 exit 函数
  1. 查看打印信息，在 /mnt 目录下：
dmesg

http://www.ppmy.cn/news/66783.html

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