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2020年03月10日 | Linux内核模块驱动之---led驱动

2020-03-10 来源：eefocus

开发板：tiny6410

内核：linux2.6.38

要写led驱动首先要复习的是混杂设备驱动的设计流程、内核file_ops结构体、硬件通信IO端口和IO内存、 ioctl系统调用的实现步骤和方法

按照顺序来对已经学习的内容复习并把led模块驱动写出来

第一步：复习ioctl系统调用函数

一、什么是ioctl系统调用函数，驱动中的iodtl函数是什么样子的？为什么需要ioctl函数？》

虽然file_ops结构体提供了相当多的文件操作函数，但是要想对硬件操作，这个file_ops结构体无法完成了，所以操作系统又提供了另一个对硬件操作的函数，就是ioctl，ioctl分为在应用层和在驱动层。ioctl应用层的函数传递命令，从用户态将命令传递到内核态，调用驱动的ioctl函数来实现对硬件的操作。

上图：：从网上找的

用户空间中的ioctl 和驱动的ioctl有点不一样

用户空间的ioctl函数形式为：

int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...);//参数的意义：：：第一个代表：文件描述符，第二个代表命令第三个为可选的参数

驱动中的ioctl从2.6.36开始改名称了-----改为unlocked_ioctl

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

参数意义：第一个为用户空间传递下来的文件指针，

第二个为参数的命令 cmd这个命令的定义和获取接下来要详细的讲解一下

第三个为用户空间传递的可选的参数

二、在写ioctl代码之前首先要搞懂如何定义命令，为了防止对错误的设备使用正确的命令，命令号应该在系统范围内是唯一的。。。

ioctl命令编码被划分为几个段，在include/asm/ioctl.h 中定义了这些字段：类型（幻数），基数，传送方向，参数大小等。在Documentation/ioctl-number.txt文件中罗列了在内核中已经使用的幻数。

定义ioct命令的正确方法是使用四个位段：：

Type(8)-------------类型（幻数）表明是哪个设备的命令，要参考Documentation/ioctl-number.txt文档后钻出合适的命令

Number(8)----------序号，表明设备命令中的第几个，8位宽

Direction(2)--------数据传送的方向，可能的值是 ———_IOC_NONE(没有数据传输)，_IOC_READ,_IOC_WRITE.数据的传送方向是从应用程序的观点来看待的，_IOC_READ意为从设备中读取数据

Size(8~14)----------用户数据的大小（8-14位宽，视处理器而定）。

上面是对一个命令所包含信息的解析，一个命令应该包含什么信息。

那么如何定义一个命令呢，内核提供了下列宏来定义命令

_IO(type，nr);//没有参数的命令

_IOR(type，nr，datatype)；//从驱动中读数据

_IOW(type，nr，datatype)；//向驱动中写入数据

_IOWR(type，nr，datatype);//双向传送

内核还定义了用来解开宏的字段

_IOC_DIR(nr);

_IOC_TYPE(nr);

_IOC_NR(nr);

_IOC_SIZE(nr); nr为要解析的命令

三、ioctl函数中如何实现命令

1、一般在ioctl函数的实现通常是根据命令执行的一个switch语句。但是当命令不能匹配任何一个设备所持有的命令的时候，通常返回-EINVAL.

2、ioctl函数的第三个参数arg的使用

如果arg是一个整数，那么可以直接使用，如果是指针，我们必须确保这个用户地址是有效的，因此使用前需要进行正确性检查，使用下面的函数对arg参数的正确性进行检查

int access_ok(int type, const void* addr, unsigned long size)；//第一个是类型参数为VERIFY_READ 或者VERIFY_WRITE,用来表明读用户内存还是写用户内存。addr参数是要操作的用户内存地址，size 是操作的长度。

如果需要同时读写则使用参数VERIFY_WRITE。

access_ok()返回一个布尔类型的值：1 是成功（存取没问题） 0是失败（存取有问题）。

第二步：复习file_ops结构体

struct file_operations {

struct module *owner;

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);//文件定位函数的实现

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);//文件的读取函数

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);//文件的写入函数

ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);//

ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);//读取文件夹

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);//对应select系统调用

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);//硬件操作函数

long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);//内存映射

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

int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

int (*release) (struct inode *, struct file *);//文件释放

int (*fsync) (struct file *, int datasync);

int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);

int (*fasync) (int, struct file *, int);

int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);

unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

int (*check_flags)(int);

int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);

ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);

ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);

int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);

long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,

loff_t len);

};

在这个结构体中并不是所有的函数都需要实现，只实现需要的函数即可。

第三部：复习硬件操作--IO内存和IO端口

真正要实现设备的操作时必须要设计到硬件的操作的，设备驱动程序是软件概念和硬件概念的一个抽象层，因此都要讨论。

每种外设都通过寄存器来进行控制。大部分外设都设有几个寄存器，不管是在内存地址，还是在IO地址空间，这些寄存器的访问地址都是连续的。

在硬件层，内存区域和IO区域没有概念上的区别:他们都是通过向地址总线和控制总线发送电平信号进行访问，再通过数据总线读写数据。

详细请参考下面的连接：：

IO端口、IO内存详细解析

第四步：混杂设备驱动程序设计

在linux系统中，存在一类字符设备，他们共享一个主设备号（10），但次设备号不同，我们称这类设备为混杂设备（miscdevice）,所有混杂设备形成一个链表，对设备访问时内核根据次设备号查找到相应的miscdevice设备。

描述混杂设备的结构体：

struct miscdevice {

int minor;//次设备号--一般是有设备自动分配的--MISC_DYNANIC_MINOR

const char *name;//设备名称

const struct file_operations *fops;//设备对应的文件操作集

struct list_head list;//

struct device *parent;

struct device *this_device;

const char *nodename;

mode_t mode;

};

如何使用混杂设备：

在初始化的时候注册混杂设备就好

int misc_register(struct miscdevice * misc);

在模块卸载的时候将混杂设备注销：

misc_deregister(struct miscdevice *misc);

上LED模块驱动的例程：：：

/**************************************************************************/

/***************************led.h**********************************************/

#ifndef _LED_H_

#define _LED_H_

#include

/*涉及到ioctl命令的定义方法的问题*/

#define DEVICE_NAME "tiny6410-led"

/**/

#define LED_IOC_MAGIC 'l'/*定义命令类型*/

/**/

#define LED_IOCGETDATA _IOR(LED_IOC_MAGIC,1,int)/*利用宏来辅助定义命令--定义从驱动中获得数据*/

#define LED_IOCSETDATA _IOW(LED_IOC_MAGIC,2,int)/*利用宏来辅助定义命令--定义向驱动中写入数据*/

#define LED_IOC_MAXNR 2

#endif

/**************************************************************************/

/***************************led.c**********************************************/

#include

/*要了解各个头文件中所包含的函数*/

#include"led.h"

/*led对应GPIOK虚拟地址*/

unsigned long GPIOK_VA_BASE;

#define GPIOK_CON0_VA GPIOK_VA_BASE

#define GPIOK_CON1_VA GPIOK_VA_BASE+0x4

#define GPIOK_DAT_VA GPIOK_VA_BASE+0x8

#define GPIO_PUD_VA GPIOK_VA_BASE+0xc

/*led对应的物理地址*/

#define GPIOK_PA_BASE 0x7f008800

/*linux 采用resource描述挂接在cpu总线上的结构实体*/

struct resource tiny6410_led_resource =

{

.name = "led io-mem",

.start = GPIOK_PA_BASE,

.end = GPIOK_PA_BASE + 0x10,

.flags = IORESOURCE_MEM,

};

static void tiny6410_led_pin_setup(void)

{

unsigned long start = tiny6410_led_resource.start;

unsigned long size = tiny6410_led_resource.end - tiny6410_led_resource.start;

unsigned long tmp;

/*申请io内存*/

request_mem_region(start,size,tiny6410_led_resource.name);

/*映射io内存*/

GPIOK_VA_BASE = (unsigned long)ioremap(start,size);//映射的地址由系统自动分配

printk("映射的虚拟地址 GPIOK_VA_BASE ＝ 0x%lxn",GPIOK_VA_BASE);

/*对应管教设置为输出*/

tmp = readl(GPIOK_CON0_VA);

tmp = (tmp & ((0xffffU<<16)|(0x1111U<<16)));

writel(tmp,GPIOK_CON0_VA);

/*对应管脚置高－－使led全灭*/

tmp = readl(GPIOK_DAT_VA);//将寄存器在内存中的虚拟地址的数据读出来

tmp |= (0xf<<4);

writel(tmp,GPIOK_DAT_VA);

}

/****************************************************/

static void tiny6410_led_pin_release(void)

{

/**首先要解除映射**/

iounmap((void*)GPIOK_VA_BASE);//参数是映射到内存的地址

release_mem_region(tiny6410_led_resource.start,tiny6410_led_resource.end - tiny6410_led_resource.start);

}

/**************************************************************************************************/

static unsigned long tiny6410_led_getdata(void)

{

return ((readl(GPIOK_DAT_VA)>>4)&0xF);//返回虚拟io内存中寄存器的值

}

/*设置led对应的GPIO数据寄存器的值*/

static void tiny6410_led_setdata(int data)

{

unsigned long tmp;

tmp = readl(GPIOK_DAT_VA);

tmp = ~(0xF<<4) | ((data&0xF)<<4);

writel(tmp,GPIOK_DAT_VA);

}

/*****************************************************************************************************/

static long led_ioctl(struct file* filp,unsigned int cmd,unsigned long arg)

{

int ioarg,ret;

/*检测命令的有效性*/

if(_IOC_TYPE(cmd) != LED_IOC_MAGIC)//检测命令

return -EINVAL;

if(_IOC_NR(cmd) > LED_IOC_MAXNR)//检测命令号如果大于最大的命令号

return -EINVAL;

/*根据命令来执行不同的操作*/

switch(cmd) {

case LED_IOCGETDATA:{

ioarg = tiny6410_led_getdata();

ret = put_user(ioarg,(int*)arg);

break;

}

case LED_IOCSETDATA:{

ret = get_user(ioarg,(int*) arg);

tiny6410_led_setdata(ioarg);

break;

}

default:

return -EINVAL;

}

return ret;

}

static ssize_t led_read(struct file* filp,char __user* buf,size_t size,loff_t *ppos)

{

}

/********************************************************************************************/

static struct file_operations dev_fops =

{

.owner = THIS_MODULE,

.unlocked_ioctl = led_ioctl,

.read = led_read,

};

static struct miscdevice misc =

{

.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,//次设备号由系统动态分配

.name = DEVICE_NAME,

.fops = &dev_fops,//文件操作

};

/****************************************************************************************/

static int __init dev_init(void)

{

int ret;

tiny6410_led_pin_setup();//在板子初始化的时候要将寄存器映射到内存中去

ret = misc_register(&misc);

printk("initialized minor =%dn",misc.minor);

return ret;

}

static void __exit dev_exit(void)

{

tiny6410_led_pin_release();

misc_deregister(&misc);//混杂字符设备驱动的解除

}

module_init(dev_init);

module_exit(dev_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("kong-hua-sheng");

/************************************************************************************/

/***********************************测试程序app-led.c************************************************/

#include

#include"led.h"

#define DEV_NAME "/dev/"DEVICE_NAME

/*将传送进来的字符转换为int型数据*/

int binstr_to_int(char* binstr)

{

int ret =0,i=0;

char bnum[5];

memset(bnum,'0',4);

int len = strlen(binstr);

if(len>4)

{

strcpy(bnum,binstr+len-4);

}else

{

strcpy(bnum+4-len,binstr);

}

for(i=0;i<4;i++)

{

ret <<=1;

ret +=(bnum[i]=='0'? 1:0);

}

return ret;

}

int main(int argc,char* argv[])

{

if(argc>2)

{

printf("can shu > 2 error!!n");

_exit(EXIT_FAILURE);

}

int fd,ioarg;

if(-1 == (fd = open(DEV_NAME,O_RDWR)))

{

ioarg = ioctl(fd,LED_IOCGETDATA,&ioarg);

printf("canshu wei 1 shi duqu shu ju! %d n",ioarg);

}else{

ioarg = binstr_to_int(argv[1]);

ioctl(fd,LED_IOCSETDATA,&ioarg);

}

_exit(EXIT_SUCCESS);

}

/**********写好之后如何测试命令******************/

#arm-linux-gcc -o app_led app-led.c

#./app_led 1101 这样led就会根据你设置的数字来点亮对应的发光二极管

Linux内核模块驱动 led驱动

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