本节书摘来华章计算机出版社《Linux设备驱动开发详解 A》一书中的第1章，第1.6节，作者：宋宝华 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。1
1.6.1 无操作系统时的LED驱动在嵌入式系统的设计中，LED一般直接由CPU的GPIO（通用可编程I/O）口控制。GPIO一般由两组寄存器控制，即一组控制寄存器和一组数据寄存器。控制寄存器可设置GPIO口的工作方式为输入或者输出。当引脚被设置为输出时，向数据寄存器的对应位写入1和0会分别在引脚上产生高电平和低电平；当引脚设置为输入时，读取数据寄存器的对应位可获得引脚上的电平为高或低。在本例子中，我们屏蔽具体CPU的差异，假设在GPIO_REG_CTRL物理地址中控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO口为输出，在地址GPIO_REG_DATA物理地址中数据寄存器的第n位写入1或0可在引脚上产生高或低电平，则在无操作系统的情况下，设备驱动见代码清单1.3。代码清单1.3?无操作系统时的LED驱动
1?#def?ine reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL)) 2?#def?ine reg_gpio_data *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_DATA)) 3?/* 初始化LED */ 4?void LightInit(void) 5?{ 6? reg_gpio_ctrl |= (1 << n); /* 设置GPIO为输出 */ 7?} 8? 9?/* 点亮LED */ 10?void LightOn(void) 11?{ 12? reg_gpio_data |= (1 << n); /* 在GPIO上输出高电平 */ 13?} 14? 15?/* 熄灭LED */ 16?void LightOff(void) 17?{ 18? reg_gpio_data &= ～(1 << n); /* 在GPIO上输出低电平 */ 19?}上述程序中的LightInit()、LightOn()、LightOff()都直接作为驱动提供给应用程序的外部接口函数。程序中ToVirtual()的作用是当系统启动了硬件MMU之后，根据物理地址和虚拟地址的映射关系，将寄存器的物理地址转化为虚拟地址。1.6.2 Linux下的LED驱动在Linux下，可以使用字符设备驱动的框架来编写对应于代码清单1.3的LED设备驱动（这里仅仅是为了方便讲解，内核中实际实现了一个提供sysfs节点的GPIO LED驱动，位于drivers/leds/leds-gpio.c中），操作硬件的LightInit()、LightOn()、LightOff()函数仍然需要，但是，遵循Linux编程的命名习惯，重新将其命名为light_init()、light_on()、light_off()。这些函数将被LED设备驱动中独立于设备并针对内核的接口进行调用，代码清单1.4给出了Linux下的LED驱动，此时读者并不需要能读懂这些代码。代码清单1.4?Linux操作系统下的LED驱动
1?#include .../* 包含内核中的多个头文件 */ 2?/* 设备结构体 */ 3?struct light_dev { 4? struct cdev cdev; /* 字符设备cdev结构体 */ 5? unsigned char vaule; /* LED亮时为1，熄灭时为0，用户可读写此值 */ 6?}; 7?struct light_dev *light_devp; 8?int light_major = LIGHT_MAJOR; 9?MODULE_AUTHOR("Barry Song <21cnbao@gmail.com>"); 10?MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); 11?/* 打开和关闭函数 */ 12?int light_open(struct inode *inode, struct f?ile *f?ilp) 13?{ 14? struct light_dev *dev; 15? /* 获得设备结构体指针 */ 16? dev = container_of(inode->i_cdev, struct light_dev, cdev); 17? /* 让设备结构体作为设备的私有信息 */ 18? f?ilp->private_data = dev; 19? return 0; 20?} 21?int light_release(struct inode *inode, struct f?ile *f?ilp) 22?{ 23? return 0; 24?} 25?/* 读写设备:可以不需要 */ 26?ssize_t light_read(struct f?ile *f?ilp, char __user *buf, size_t count, 27? loff_t *f_pos) 28?{ 29? struct light_dev *dev = f?ilp->private_data; /* 获得设备结构体 */ 30? if (copy_to_user(buf, &(dev->value), 1)) 31? return -EFAULT; 32? return 1; 33?} 34?ssize_t light_write(struct f?ile *f?ilp, const char __user *buf, size_t count, 35? loff_t *f_pos) 36?{ 37? struct light_dev *dev = f?ilp->private_data; 38? if (copy_from_user(&(dev->value), buf, 1)) 39? return -EFAULT; 40? /* 根据写入的值点亮和熄灭LED */ 41 if (dev->value == 1) 42 light_on(); 43 else 44 light_off(); 45? return 1; 46?} 47?/* ioctl函数 */ 48?int light_ioctl(struct inode *inode, struct f?ile *f?ilp, unsigned int cmd, 49? unsigned long arg) 50?{ 51? struct light_dev *dev = f?ilp->private_data; 52? switch (cmd) { 53? case LIGHT_ON: 54? dev->value = 1; 55? light_on(); 56? break; 57? case LIGHT_OFF: 58? dev->value = 0; 59? light_off(); 60? break; 61? default: 62? /* 不能支持的命令 */ 63? return -ENOTTY; 64? } 65? return 0; 66?} 67?struct f?ile_operations light_fops = { 68? .owner = THIS_MODULE, 69? .read = light_read, 70? .write = light_write, 71? .ioctl = light_ioctl, 72? .open = light_open, 73? .release = light_release, 74?}; 75?/* 设置字符设备cdev结构体 */ 76?static void light_setup_cdev(struct light_dev *dev, int index) 77?{ 78? int err, devno = MKDEV(light_major, index); 79? cdev_init(&dev->cdev, &light_fops); 80? dev->cdev.owner = THIS_MODULE; 81? dev->cdev.ops = &light_fops; 82? err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1); 83? if (err) 84? printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index); 85?} 86?/* 模块加载函数 */ 87?int light_init(void) 88?{ 89? int result; 90? dev_t dev = MKDEV(light_major, 0); 91? /* 申请字符设备号 */ 92? if (light_major) 93? result = register_chrdev_region(dev, 1, "LED"); 94? else { 95? result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "LED"); 96? light_major = MAJOR(dev); 97? } 98? if (result < 0) 99? return result; 100? /* 分配设备结构体的内存 */ 101? light_devp = kmalloc(sizeof(struct light_dev), GFP_KERNEL); 102? if (!light_devp) { 103? result = -ENOMEM; 104? goto fail_malloc; 105? } 106? memset(light_devp, 0, sizeof(struct light_dev)); 107? light_setup_cdev(light_devp, 0); 108? light_gpio_init(); 109? return 0; 110?fail_malloc: 111? unregister_chrdev_region(dev, light_devp); 112? return result; 113?} 114?/* 模块卸载函数 */ 115?void light_cleanup(void) 116?{ 117? cdev_del(&light_devp->cdev); /* 删除字符设备结构体 */ 118? kfree(light_devp); /* 释放在light_init中分配的内存 */ 119? unregister_chrdev_region(MKDEV(light_major, 0), 1); /* 删除字符设备 */ 120?} 121?module_init(light_init); 122?module_exit(light_cleanup);上述代码的行数与代码清单1.3已经不能相比了，除了代码清单1.3中的硬件操作函数仍然需要外，代码清单1.4中还包含了大量暂时陌生的元素，如结构体file_operations、cdev，Linux内核模块声明用的MODULE_AUTHOR、MODULE_LICENSE、module_init、module_exit，以及用于字符设备注册、分配和注销的函数register_chrdev_region()、alloc_chrdev_region()、unregister_chrdev_region()等。我们也不能理解为什么驱动中要包含light_init ()、light_cleanup ()、light_read()、light_write()等函数。此时，我们只需要有一个感性认识，那就是，上述暂时陌生的元素都是Linux内核为字符设备定义的，以实现驱动与内核接口而定义的。Linux对各类设备的驱动都定义了类似的数据结构和函数。
相关资源：敏捷开发V1.0.pptx