Linux设备驱动之字符设备驱动

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Linux 字符设备是Linux 三大设备之一（另外两种是块设备，网络设备），字符设备就是字节流形式通讯的I/O设备，绝大部分设备都是字符设备, 本文主要记录字符设备驱动相关知识

一、应用程序和驱动的交互原理

1、驱动就是获取外设、或者传感器数据，控制外设。数据会提交给应用程序。Linux驱动编译既要编写一个驱动，还要我们编写一个简单的测试应用程序，APP。单片机下驱动和应用都是放到一个文件里面，也就是杂糅到一起。Linux下驱动和应用是完全分开的。

       用户空间(用户态)和内核空间(内核态)：

       Linux操作系统内核和驱动程序运行在内核空间、应用程序运行在用户空间。

       应用程序想要访问内核资源，怎么办，有三种方法：系统调用、异常(中断)和陷入。

       应用程序不会直接调用系统调用，而是通过API函数来间接的调用系统调用，比如POSIX、API和C库等。unix类操作系统中最常用的编程接口就是POSIX。

       应用 程序使用open函数 打开一个设备文件。

       每个系统调用都有一个系统调用号。

       系统调用处于内核空间，应用程序无法直接访问，因此需要“陷入“到内核，方法就是软中断。陷入内核以后还要指定系统调用号。

二、字符设备驱动开发流程

字符设备驱动

应用层：  APP1  APP2  ...

fd = open("led驱动的文件"，O_RDWR);

read(fd);

write();

close();

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内核层：  

对灯写一个驱动

 led_driver.c

 driver_open();

 driver_read();

 driver_write();

 driver_close();

struct file_operations {

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

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

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

int (*release) (struct inode *, struct file *);（close）

}

cdev:

设备号1        设备号2             设备号n

设备驱动1     设备驱动2    ....    设备驱动n

设备号：32位，无符号数字

高12位   ：主设备号 ：区分哪一类设备

低20位   ：次设备号 ：区分同类中哪一个设备

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

硬件层：  LED   uart  ADC  PWM

每个驱动里面都有对应的file_operations

open的过程：

open打开文件，这个文件与底层的驱动的设备号有关系，

通过设备号访问设备驱动中的struct file_operations里面的open函数。

read的过程：

open函数会有一个返回值，文件描述符fd，read函数通过fd

找到驱动中的struct file_operations里面的read函数。

字符设备驱动的注册

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,const struct file_operations *fops)

功能：注册一个字符设备驱动

参数：

@major：主设备号  

  ：如果你填写的值大于0，它认为这个就是主设备号

  ：如果你填写的值为0，操作系统给你分配一个主设备号

@name :名字 cat /proc/devices 

当注册一个字符设备驱动的时候。

如果成功的话，当你使用cat /proc/devices 命令查看的时候可以看到系统自动分配的主设备号和这个名字

@fops :操作方法结构体

返回值：major>0 ,成功返回0，失败返回错误码（负数） vi -t EIO

major=0,成功主设备号，失败返回错误码（负数）   

手动创建设备文件

sudo mknod hello (路径是任意) c/b  主设备号   次设备号

sudo –rf hello 删除的时候记得加-rf

 

 字符设备驱动应用--点亮LED灯

应用程序将数据传递给驱动

int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n)

功能：从用户空间拷贝数据到内核空间（用户需要写数据的时候）

参数：

@to  :内核中内存的首地址

@from:用户空间的首地址

@n   :拷贝数据的长度（字节）

返回值：成功返回0，失败返回未拷贝的字节的个数

int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)

功能：从内核空间拷贝数据到用户空间（用户开始读数据）

参数：

@to  :用户空间内存的首地址

@from:内核空间的首地址

@n   :拷贝数据的长度（字节）

返回值：成功返回0，失败返回未拷贝的字节的个数

驱动操作寄存器

rgb_led灯的寄存器是物理地址，在linux内核启动之后，在使用地址的时候，操作的全是虚拟地址。需要将物理地址转化为虚拟地址。在驱动代码中操作的虚拟地址就相当于操作实际的物理地址。

物理地址<------>虚拟地址

void * ioremap(phys_addr_t offset, unsigned long size)

（当__iomen告诉编译器，取的时候是一个字节大小）

功能：将物理地址映射成虚拟地址

参数：

@offset :要映射的物理的首地址

@size   :大小（字节）(映射是以业为单位，一页为4K,就是当你小于4k的时候映射的区域都为4k)

返回值：成功返回虚拟地址，失败返回NULL（（void *）0）; 

void iounmap(void  *addr)

功能：取消映射

参数：

@addr ：虚拟地址

返回值：无

 软件编程控制硬件

只需要向控制寄存器中写值或者读值，就可以让我们处理器完成一定的功能。

RGB_led 

1》GPIOxOUT：控制引脚输出高低电平

RED_LED--->GPIOA28

GPIOAOUT --->  0xC001A000

GPIOA28输出高电平：

GPIOAOUT[28]  <--写--  1

GPIOA28输出低电平：

GPIOAOUT[28]  <--写--  0

2》GPIOxOUTENB：控制引脚的输入输出模式

GPIOAOUTENB  ---> 0xC001A004

设置GPIOA28引脚为输出模式：

GPIOAOUTENB[28] <--写-- 1

3》GPIOxALTFN：控制引脚功能的选择

GPIOAALTFN1  ---> 0xC001A024

设置GPIOA28引脚为GPIO功能：

GPIOAALTFN1[25:24]  <--写-- 0b00

00 = ALT Function0   

01 = ALT Function1 

10 = ALT Function2   

11 = ALT Function3 

GPIO引脚功能的选择：每两位控制一个GPIO引脚

red  :gpioa28

GPIOXOUT   :控制高低电平的   0xC001A000

GPIOxOUTENB：输入输出模式    0xC001A004

GPIOxALTFN1：function寄存器  0xC001A024

（一个寄存器36个字节）

green:gpioe13

0xC001e000

blue :gpiob12

0xC001b000

Linux里面一切皆文件，驱动设备表现就是一个/dev/下的文件，/dev/led。应用程序调用open函数打开设备，比如led。应用程序通过write函数向/dev/led写数据，比如写1表示打开，写0表示关闭。如果要关闭设备那么就是close函数。

编写驱动的 时候也需要编写驱动对应的open、close，write函数。字符设备驱动fileoptions_struct.

驱动最终是被应用调用的，在写驱动的时候要考虑应用开发的便利性。

驱动是分驱动框架的，要按照驱动框架来编写，对于字符设备驱动来说，重点编写应用程序对应的open、close、read、write等函数。