Linux 驱动开发基础知识—— LED 驱动程序框架（四）

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文章介绍：

🎉本篇文章对Linux驱动基础知识学习的相关知识进行分享！🥳🥳🥳

内核驱动部分的维护者，往往为同类的设备（比如LED、LCD、蜂鸣器等等）设计了一个成熟的、标准的、典型的框架。他们将同类设备的驱动中通用的一些功能抽离出来，作为驱动框架中的核心层，然后设计好核心层与具体操作层的接口，让驱动开发者来实现具体操作层。

如果您觉得文章不错，期待你的一键三连哦，你的鼓励是我创作动力的源泉，让我们一起加油，一起奔跑，让我们顶峰相见！！！💪💪💪

🎁感谢大家点赞👍收藏⭐评论✍️

目录：

一、回顾字符设备驱动程序框架

二、LED驱动程序

2.1 对于 LED 驱动，我们想要什么样的接口？

2.2 LED 驱动能支持多个板子的基础：分层思想

三、代码分析

3.1 leddrv.c

3.2 led_opr.h

3.3 board_demo.c

3.4 Makefile

3.5 ledtest.c

四、上机测试

4.1编译

4.2 挂载到开发板

4.3.实验效果

一、回顾字符设备驱动程序框架

驱动层访问硬件外设寄存器依靠的是 ioremap 函数去映射到寄存器地址，然后开始控制寄存器。

（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，这是核心；

（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：通过 register_chrdev 函数；

（5）谁来注册驱动程序？需要一个入口函数：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：卸载驱动程序是，出口函数调用 unregister_chrdev;

（7）其它完善：提供设备信息，自动创建设备节点： class_create,device_create

二、LED驱动程序

2.1 对于 LED 驱动，我们想要什么样的接口？

2.2 LED 驱动能支持多个板子的基础：分层思想

（1）把驱动拆分为通用的框架(leddrv.c)、具体的硬件操作(board_X.c)：

（2）以面向对象的思想，改进代码，抽象出一个结构体：

struct 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 */
};

每个单板相关的 board_X.c 实现自己的 led_operations 结构体，供上层的 leddrv.c 调用：

三、代码分析

在hello驱动程序的基础上进行增添优化修改

驱动程序分为上下两层：leddrv.c、board_demo.c。leddrv.c 负责注册 file_operations 结构体，它的 open/write 成员会调用 board_demo.c 中提供的硬件 led_opr 中的对应函数。

3.1 leddrv.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>#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;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);/* 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, "100ask_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");
}/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */module_init(led_init);
module_exit(led_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

上层是 leddrv.c，它的核心是 file_operations 结构体

第20行：LED灯的个数

第37~78行：file_operations 结构体的成员函数

第 49 行、第 60 行，会调用 led_operations 结构体中对应的函数。

/* 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;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);/* 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,
};

第80~105行：驱动程序的上层：file_operations 结构体

第 88 行向内核注册一个 file_operations 结构体。

第99~100行：创建多个次设备号

第 102 行从底层硬件相关的代码 board_demo.c 中获得 led_operaions 结构体。、

/* 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, "100ask_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;
}

第37~52行：led_drv_write

        第41行：监测当前状态

第42行：获得次设备号，inode从file中获取

        第46行：将buf中的数据拷贝1个字节到status中

        第49行：根据次设备号和status控制LED

第54~63行：led_drv_open

第56行：获得次设备号，inode从node中获取

第60行：根据次设备号初始化LED

第82~105行：led_init

第102行：入口函数中获得结构体指针

3.2 led_opr.h

led_opr.h，它定义了一个 led_operations 结构体，把 LED 的操作抽象为这个结构体：

#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

3.3 board_demo.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>
#include "led_opr.h"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);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");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;
}

3.4 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 board_demo.o
obj-m	+= 100ask_led.o

3.5 ledtest.c


#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;
}

第 26 行打开设备节点。

如果用户想点亮 LED，第 37 行会把值“1”通过 write 函数写入驱动程序。

如果用户想熄灭 LED，第 42 行会把值“0”通过 write 函数写入驱动程序。

四、上机测试

4.1编译

编译程序，把代码上传代服务器后执行 make 命令。

cp 100ask_led.ko ledtest.c /nfs_rootfs/

4.2 挂载到开发板

在开发板上挂载 NFS

4.3 测试

最后在开发板上加载驱动程序，执行测试程序，如下：

[root@100ask:~]# insmod /mnt/led_drv.ko                        //安装驱动
[root@100ask:~]# lsmod                                         //查询驱动
[root@100ask:~]# rmmod /mnt/led_drv.ko                         //卸载驱动
[root@100ask:~]# ls / /dev/100ask_led* -l                      //查询设备
[root@100ask:~]# /mnt/ledtest /dev/100ask_led0 on              // 点灯
[root@100ask:~]# /mnt/ledtest /dev/100ask_led0 off             // 关灯
[root@100ask:~]# demsg                                         //查看内核信息