ARM的嵌入式Linux移植体验之设备驱动

3.字符设备驱动

　　我们必须为字符设备提供一个初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初始化工作，并调用register_chrdev() 函数注册字符设备。假设有一字符设备"exampledev"，则其init 函数为：

void exampledev_init(void) { if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " exampledev ", &exampledev_fops)) TRACE_TXT("Device exampledev driver registered error"); else TRACE_TXT("Device exampledev driver registered successfully"); …//设备初始化 }

　　其中，register_chrdev函数中的参数MAJOR_NUM为主设备号,"exampledev"为设备名，exampledev_fops为包含基本函数入口点的结构体，类型为file_operations。当执行exampledev_init时，它将调用内核函数register_chrdev，把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中，在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。

　　较早版本内核的file_operations结构体定义为（代码及图示）：

struct file_operations { 　int (*lseek)(); 　int (*read)(); 　int (*write)(); 　int (*readdir)(); 　int (*select)(); 　int (*ioctl)(); 　int (*mmap)(); 　int (*open)(); 　void(*release)(); 　int (*fsync)(); 　int (*fasync)(); 　int (*check_media_change)(); 　void(*revalidate)(); };

　　随着内核功能的加强，file_operations结构体也变得更加庞大。但是大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分，对于驱动程序中无需提供的功能，只需要把相应位置的值设为NULL。对于字符设备来说，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()等。

　　open()函数　对设备特殊文件进行open()系统调用时，将调用驱动程序的open () 函数：

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

　　其中参数inode为设备特殊文件的inode (索引结点) 结构的指针，参数filp是指向这一设备的文件结构的指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用MINOR(inode-> i_rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0表示成功，负数表示存在错误) 等；

　　release()函数　当最后一个打开设备的用户进程执行close ()系统调用时，内核将调用驱动程序的release () 函数：

void (*release) (struct inode * inode,struct file *filp) ;

　　release 函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。

　　read()函数　当对设备特殊文件进行read() 系统调用时，将调用驱动程序read() 函数：

ssize_t (*read) (struct file * filp, char * buf, size_t count, loff_t * offp);

　　参数buf是指向用户空间缓冲区的指针，由用户进程给出，count 为用户进程要求读取的字节数，也由用户给出。

　　read() 函数的功能就是从硬设备或内核内存中读取或复制count个字节到buf 指定的缓冲区中。在复制数据时要注意，驱动程序运行在内核中，而buf指定的缓冲区在用户内存区中，是不能直接在内核中访问使用的，因此，必须使用特殊的复制函数来完成复制工作，这些函数在include/asm/uaccess.h中被声明：

unsigned long copy_to_user (void * to, void * from, unsigned long len);

　　此外，put_user()函数用于内核空间和用户空间的单值交互（如char、int、long）。

　　write( ) 函数　当设备特殊文件进行write () 系统调用时，将调用驱动程序的write () 函数：

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

　　write ()的功能是将参数buf 指定的缓冲区中的count 个字节内容复制到硬件或内核内存中，和read() 一样，复制工作也需要由特殊函数来完成：

unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n);

　　此外，get_user()函数用于内核空间和用户空间的单值交互（如char、int、long）。

　　ioctl() 函数　该函数是特殊的控制函数，可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息，函数原型为：

int (*ioctl) (struct inode * inode,struct file * filp,unsigned int cmd,unsigned long arg);

　　参数cmd为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，参数arg 为相应的命令提供参数，类型可以是整型、指针等。

　　同样，在驱动程序中，这些函数的定义也必须符合命名规则，按照本文约定，设备"exampledev"的驱动程序的这些函数应分别命名为exampledev_open、exampledev_ release、exampledev_read、exampledev_write、exampledev_ioctl，因此设备"exampledev"的基本入口点结构变量exampledev_fops 赋值如下（对较早版本的内核）：

struct file_operations exampledev_fops { 　NULL , 　exampledev_read , 　exampledev_write , 　NULL , 　NULL , 　exampledev_ioctl , 　NULL , 　exampledev_open , 　exampledev_release , 　NULL , 　NULL , 　NULL , 　NULL } ;

　　就目前而言，由于file_operations结构体已经很庞大，我们更适合用GNU扩展的C语法来初始化exampledev_fops：

struct file_operations exampledev_fops = { 　read: exampledev _read, 　write: exampledev _write, 　ioctl: exampledev_ioctl , 　open: exampledev_open , 　release : exampledev_release , };

　　看看第一章电路板硬件原理图，板上包含四个用户可编程的发光二极管（LED），这些LED连接在ARM处理器的可编程I/O口（GPIO）上，现在来编写这些LED的驱动：

#include <linux/config.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/init.h> #include <linux/miscdevice.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/delay.h> #include <asm/hardware.h> #define DEVICE_NAME "leds" /*定义led 设备的名字*/ #define LED_MAJOR 231 /*定义led 设备的主设备号*/ static unsigned long led_table[] = { 　/*I/O 方式led 设备对应的硬件资源*/ 　GPIO_B10, GPIO_B8, GPIO_B5, GPIO_B6, }; /*使用ioctl 控制led*/ static int leds_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { 　switch (cmd) 　{ 　　case 0: 　　case 1: 　　　if (arg > 4) 　　　{ 　　　　return -EINVAL; 　　　} 　　　write_gpio_bit(led_table[arg], !cmd); 　　default: 　　　return -EINVAL; 　} } static struct file_operations leds_fops = { 　owner: THIS_MODULE, ioctl: leds_ioctl, }; static devfs_handle_t devfs_handle; static int __init leds_init(void) { 　int ret; 　int i; 　/*在内核中注册设备*/ 　ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME, &leds_fops); 　if (ret < 0) 　{ 　　printk(DEVICE_NAME " can't register major number\n"); 　　return ret; 　} 　devfs_handle = devfs_register(NULL, DEVICE_NAME, DEVFS_FL_DEFAULT, LED_MAJOR, 0, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR, &leds_fops, NULL); 　/*使用宏进行端口初始化，set_gpio_ctrl 和write_gpio_bit 均为宏定义*/ 　for (i = 0; i < 8; i++) 　{ 　　set_gpio_ctrl(led_table[i] | GPIO_PULLUP_EN | GPIO_MODE_OUT); 　　write_gpio_bit(led_table[i], 1); 　} 　printk(DEVICE_NAME " initialized\n"); 　return 0; } static void __exit leds_exit(void) { 　devfs_unregister(devfs_handle); 　unregister_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME); } module_init(leds_init); module_exit(leds_exit);

　　使用命令方式编译led 驱动模块：

#arm-linux-gcc -D__KERNEL__ -I/arm/kernel/include -DKBUILD_BASENAME=leds -DMODULE -c -o leds.o leds.c

　　以上命令将生成leds.o 文件，把该文件复制到板子的/lib目录下，使用以下命令就可以安装leds驱动模块：

#insmod /lib/ leds.o

　　删除该模块的命令是：

#rmmod leds