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在前面的文章中，已經描述了整一個字符設備模型，那現在，可以來使用相應的模型進行操作硬件設備了。那么，從點亮一個LED燈開始。 一、設備控制操作 1.理論基礎 大部分驅動程序除了需要提供讀寫設備的能力外,還需要具備控制設備的能力。比如設置UART波特率這樣的操作。 實際上在Linux系統用戶空間中，提供了ioctl系統調用函數來實現了控制設備的操作。其原型如下： int ioctl(int fd,unsigned long cmd,...) ·fd: 要控制的設備文件描述符 ·cmd: 發送給設備的控制命令 ·…: 第3個參數是可選的參數，存在與否是依賴于控 制命令(第 2 個參數 )。 當應用程序在用戶空間使用ioctl系統調用時，驅動程序將由如下函數來響應： （1）Linux 2.6.36版本之前的內核 long (*ioctl) (struct inode* node ,struct file* filp, unsigned int cmd,unsigned long arg) （2）Linux 2.6.36版本之后的內核 long (*unlocked_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg); ·參數cmd: 通過應用函數ioctl傳遞下來的命令 此函數方法由struct file_operations操作函數集實現，如下圖： 在此筆者所使用的是3.0.8版本的Linux內核。 2.控制方法實現 （1）定義命令 命令從其實質而言就是一個整數, 但為了讓這個整數具備更好的可讀性，我們通常會把這個整數分為幾個段：類型（8位），序號，參數傳送方向，參數長度。 ·Type(類型/幻數): 表明這是屬于哪個設備的命令。 ·Number(序號)：用來區分同一設備的不同命令。 ·Direction：參數傳送的方向，可能的值是 _IOC_NONE(沒有數據傳輸), _IOC_READ, _IOC_WRITE（向設備寫入參數）。 ·Size：參數長度 Linux系統提供了下面的宏來幫助定義命令： ·_IO(type,nr)：不帶參數的命令 ·_IOR(type,nr,datatype)：從設備中讀參數的命令 ·_IOW(type,nr,datatype)：向設備寫入參數的命令 示例： #define MEM_MAGIC ‘m’ //定義幻數 #define MEM_SET _IOW(MEM_MAGIC, 0, int) （2）實現操作 在Linux內核操作函數集中的unlocked_ioctl函數的實現通常是根據命令執行的一個switch語句。但是，當命令號不能匹配任何一個設備所支持的命令時，返回-EINVAL. 二、Linux內核空間操作硬件設備 1.確定硬件接口 在操作一個硬件設備前，必須要了解的是其所使用的硬件接口和硬件原理。在此筆者所使用的是S5PV210平臺。 如上圖可知，LED1和LED2由CPU的GPC0_3和GPC0_4這兩個I/O口控制，并且GPIO口工作在輸出模式時，當輸出高電平時，燈亮；輸出低電平時，燈滅。 如上圖為GPC0口的控制寄存器GPC0CON（地址為0xe0200060），分析可知，當將[19:12]位配置為[00010001]時，GPC0_3和GPC0_4口工作在輸出模式下。 如上圖為GPC0口的數據寄存器GPC0DAT（0XE0200064），當I/O口工作在輸出模式時，其每一位代表著每一個GPIO口的電平配置。所以GPC0DAT寄存器的位3代表著GPC0_3口，位4代表GPC0_4口。 在程序頭文件led_driver.h中定義寄存器硬件地址： 2.命令和設備結構體定義 根據ioctl命令的定義方式，在程序頭文件led_driver.h中定義命令，如下圖： 如上圖中定義了一個led設備相關的結構體struct led_device，成員struct class *led_class;代表led設備類，struct device *led_device;代表了的設備，unsigned int val;代表其可能需要的配置值。 對于LED的操作而言，實現可以單個點亮或熄滅LED，也可以全部點亮或熄滅LED。所以定義了__LED_SELECT枚舉、ON和OFF命令，然后通過__IO()宏進行定義命令。 3.設備驅動模塊初始化 （1）定義struct led_device結構體變量struct led_device *led_dev;和硬件操作相關變量gpc0con、gpc0dat。 并為指針led_device申請內存空間。 （2）靜態申請主設備號 其中LED_MAJOR為靜態定義的主設備號，在程序頭文件led_driver.h中定義。led_fops為struct file_operations操作函數集。 #define LED_MAJOR 100 （3）自動創建設備節點文件 首先使用class_create函數創建一個設備類，然后再根據設備類由device_create函數創建一個名為led的設備節點文件，即為當在Linux內核中加載此驅動時，會自動在用戶空間/dev目錄下生成的設備節點文件led。 當操作失敗時，處理方式如下： （4）將硬件設備操作寄存器地址映射為虛擬地址。 在Linux內核中，是不允許直接操作設備的物理地址的，智能通過虛擬地址映射的方式進行操作或者配置CPU私有外設的寄存器地址，從而達到操作相關寄存器的目的。 在Linux內核中提供了ioremap宏函數來實現物理地址到虛擬地址的映射。 以上操作即為LED設備驅動的初始化函數led_init的實現，源碼如下： 4.設備模塊卸載 設備模塊的卸載主要實現將設備號釋放，銷毀設備節點文件、銷毀設備類，釋放所申請的內存空間。 5.操作函數集的實現 如上圖可知，一共實現了3個操作函數。分別對應于用戶空間的open、close和ioctl系統調用的操作。其中led_open操作函數的實現主要進行硬件寄存器的初始化配置。 如上圖即是配置GPC0CON寄存器，將GPC0_3和GPC0_4口配置為輸出模式，并初始化GPC0DAT寄存器，保證初始狀態為燈滅。 操作函數led_close的實現不實現任何操作。為空函數。 6.led_ioctl操作函數的實現 如上圖所示，led_ioctl函數通過接受從用戶空間傳遞而來的命令cmd，來決定LED設備的亮滅。以上這種方式是通過直接操作寄存器的方式來實現。實際上在Linux內核中提供了相應的讀寫寄存器的函數方法來實現操作，如下圖： 除了這種方法之外，要操作GOIO口，更可以使用gpio_get_value和gpio_set_value這樣的函數來進行配置GPIO口，對于GPIO口的配置方式，還有更多的實現。 三、Linux用戶空間操作硬件設備 應用程序的實現思路是，從外表為用戶程序提供命令來進行操作LED燈，main函數從外表接收兩個命令： 命令的執行狀態為：./app_led LED編號 狀態 ·編號可取值1,2,3，分別表示LED1，LED2和全部LED。 ·狀態可取值0和1，分別表示燈亮和燈滅。 首先實現判斷外表命令的輸入情況，打開設備文件/dev/led，和將命令由字符轉化為整數。 然后就是點燈功能的實現了。 四、驗證現象 分別編譯好內涵驅動模塊和應用程序，分別得到led_driver.ko文件和app_led文件，然后將他們都拷貝到開發板根文件系統。 執行命令：insmod led_driver.ko插入內核驅動模塊。最后執行應用程序./app_led進行操作LED。如下圖： 至此！整個點燈實現完成。 |
