《Linux 设备驱动开发详解（第2版）》——1.6 设备驱动Hello World：LED驱动

xiaoxiao2023-07-06 148

本节书摘来自异步社区《Linux 设备驱动开发详解（第2版）》一书中的第1章，第1.6节，作者：宋宝华著，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

1.6 设备驱动Hello World：LED驱动

Linux 设备驱动开发详解（第2版）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是输出。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物理地址处的控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO为输出，在地址GPIO_REG_DATA物理地址处的数据寄存器的第n位写入1或0可在引脚上产生高或低电平，则无操作系统的情况下，设备驱动为代码清单1.3。

代码清单1.3　无操作系统时的LED驱动

1　#define reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL)) 2　#define 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（这里仅仅是为了讲解的方便，到后文我们会发现，内核中实际实现了一个提供sysfs结点的GPIO LED驱动，位于drivers/leds/leds-gpio.c），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的针对内核的接口进行调用，代码清单1.4给出了Linux下LED的驱动，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LED的驱动

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 file *filp) 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 　　filp->private_data = dev; 19 　　return 0; 20 } 21 int light_release(struct inode *inode, struct file *filp) 22 { 23 　　return 0; 24 } 25 /*读写设备:可以不需要 */ 26 ssize_t light_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, 27 　　loff_t *f_pos) 28 { 29 　　struct light_dev *dev = filp->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 file *filp, const char __user *buf, size_t count, 35 　　loff_t *f_pos) 36 { 37 　　struct light_dev *dev = filp->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 file *filp, unsigned int cmd, 49 　　unsigned long arg) 50 { 51 　　struct light_dev *dev = filp->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 file_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已经不能比拟，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中还包含了大量对我们暂时陌生的元素，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、分配和注销用的函数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内核给字符设备定义的为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。