linux设备驱动的实现与理解-白红宇

linux设备驱动的实现与理解

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发布时间：2019-05-01

本文共 8295 字，大约阅读时间需要 27 分钟。

linux设备驱动的实现与理解

在linux中对字符设备的驱动编写，驱动插入以及使用驱动文件进行逻辑控制，其中这份代码写在嵌入式板中，通过控制io来实现灯的亮灭，但是设备驱动的实现流程与灯无关，大致的流程都体现在代码中。我感觉这份博客我自己不会看，太难看了，算是自己对设备驱动理解的记录吧。

一、程序解读

1、系统调用

open() 打开文件

ioctl()设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理的函数

exit() 使进程停止运行，exit()函数在调用exit系统调用之前要检查文件的打开情况，把文件缓冲区中的内容写回文件，就是”清理I/O缓冲”。

2、寄存器地址

#define FS4412_GPF3CON 0x114001E0

通过数据手册可以找到每个端口的物理地址。

gpf3con = ioremap(FS4412_GPF3CON, 4);

在系统运行时，外设的I/O内存资源的物理地址是已知的，由硬件的设计决定。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围，驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源，而必须将它们映射到虚地址空间内，然后才能根据映射所得到的虚地址范围，通过访问内存指令访问这些I/O内存资源。通过ioremap来进行静态映射，4表示映射一个寄存器的地址，也就是4个字节，返回虚地址保存在本地全局的指针变量中。

3、寄存器读写代码

writel((readl(gpf3con) & ~(0xff << 16)) | (0x11 << 16),gpf3con);

writel(readl(gpx2dat) &~(0x3<<4), gpf3dat);

这是初始化端口时的f端口控制寄存器的初始化以及数据寄存器的初试化，其他的端口初始化同样的方法：

(1)首先根据数据手册初始化控制寄存器，配置固定的位，将需要的引脚的状态改为输出状态。

(2)通过写数据寄存器初始化引脚为低电平，即使led灯初始状态为熄灭。

(3)在收到测试文件的命令后，根据命令相应输出引脚为低电平或高电平

(4)先将端口数据寄存器32个引脚数据全部读出，然后只将需要的位置1或清零，然后再写回端口数据寄存器，可以防止修改没有用到的引脚。

二、原理

在这里将实验的原理描述为两个部分，第一部分为驱动的加载部分，第二部分为驱动加载完成后，驱动的使用时的调用过程。

驱动加载：

1、将驱动源代码编译后，生成ko文件，这是将要加载的驱动模块。2、调用命令insmod加载模块，首先会找代码里边固定的宏moudle_init()来找到驱动中的初始化函数这里是s5pv210_led_init()和退出函数s5pv210_led_exit()。

3、调用s5pv210_led_init()来进行设备号注册，和设备添加。MKDEV是一个宏，可以通过移位把主设备号和次设备号进行处理，生成一个32位的数据。调用register_chrdev_region()注册设备号，linux驱动根据散列hash表来建立设备描述cdev结构体的索引，当hash表的index冲突时，采用链表的方式避免冲突，这样可以通过设备号快速找到cdev结构体的地址。

4、调用cdev_init()来初始化结构体cdev，最重要的是将file_operations保存在cdev中，file_oerations里边有本地实现的open release ioctl等具体功能的函数指针，这样可以在使用驱动的时候找到相应的实现函数。

5、调用cdev_add()来添加设备结构体cdev到hash表中，根据参数设备号可以找到注册设备号时在hash表中的位置，然后将cdev结构体地址添加进去

6、映射io端口，即映射io端口的物理地址为虚拟地址，因为在系统运行时，外设的I/O内存资源的物理地址是已知的，由硬件的设计决定，可以在数据手册中找到。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围，驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源，而必须将它们映射到核心虚地址空间内，然后才能根据映射所得到的核心虚地址范围，通过访问内存指令访问这些I/O内存资源。

7、使用命令mknod 添加/dev目录下设备描述文件，其实主要就是描述了我们输入的三个参数，首先c代表字符型设备，500代表主设备号，0代表次设备号。三个参数的用法在下边的流程描述。

8、调用rmmod命令后，卸载驱动，找到驱动中moudle_exit()宏来找到卸载驱动的退出函数，在这个里边调用cdev_del()和unregister_chrdev_region()删除设备并且去掉设备号的注册，相反的过程，不用赘言。

驱动使用：

1、在驱动测试文件中，首先打开了/dev目录下的设备文件，但是这个文件只是设备基本信息的描述，没有实质的动作，具体的作用可以看作为设备的索引，通过打开文件可以找到设备驱动的位置。这里分析我们输入的三个参数，c表示字符型设备open系统调用中拿到c就知道要去找字符型设备的结构体。主设备号和次设备号用来索引hash散列表，找到cdev结构体的地址，而cdev中保存有file_operations的地址，就可以找到驱动的具体实现函数，就是驱动加载的逆过程。而open执行完之后，返回一个文件描述符，这个描述符中就带有找到的cdev地址。

2、Open函数根据得到的cdev找到file_operations 中的.open对应的的函数指针，调用这个函数来初始化驱动，这里可以做io端口控制寄存器的设置，将相关的端口设置为输出。

3、调用ioctl通信，ioctl是io管道管理函数，是linux系统封装用来给驱动用的通信函数，方便用户使用，不用关心通信的实现方式，也不用考虑通信是否跨线程或者跨进程，可以看作是一个通道，在使用时塞入数据，在驱动里边写好拿出数据并做相应的处理及可以，感觉非常像socket套接字。

4、测试文件中调用ioctl传入数据，ioctl根据传入的文件描述符参数中的cdev找到file_operations 中的. unlocked_ioctl对应的的函数指针，在这个函数里边调用copy_from_user()，可以取出传入的参数，根据参数做驱动对应的动作。

5、退出驱动后，跟2-4同样的道理找到.release执行，释放驱动。

三、代码的理解

实验过程中仔细研究了代码的流程，感觉有几点不足：

1、端口的控制寄存器和数据寄存器初始化放在驱动模块加载的函数中，这从实际的情况来讲并不合适。

2、io端口映射也放在驱动模块加载的过程中，也不太合适，端口映射是在消耗系统资源，而加载之后一直不使用驱动时，端口映射一直存在系统中，只有在驱动卸载之后才释放，从实际情况来讲也不合适。

3、对于cdev结构体的声明和定义放在驱动文件中有过疑惑，因为之前我以为cdev是一个链表，通过系统中的全局变量保存链表头，然后根据设备号去索引链表，如果放在本地，发生意外修改了结构体中指向下一个结构体的指针，会导致链表断裂，这是个很严重的问题。后来研究发现是用hash散列表实现的，故不存在这样的问题。

4、测试文件中只有open函数，没有调用close函数，当然这可以理解为需要在实验过程中自己实现，比如不用ctl c退出而是用读取输入字符判断退出函数，然后退出之前调用close。

四、和裸机平台设备驱动的不同：

第一次接触带有操作系统的驱动编程，之前感觉系统驱动比较神秘的面纱也被揭开了，跟裸机平台的设备驱动相比，区别就是

1、系统给驱动的编程增加了一个框架，需要依照系统对于驱动的统一管理来实现框架的内容，比如增加moudle_init，在init中注册设备号添加设备等，这都是在告诉系统，我们写的驱动具体实现的东西在哪里。

2、具体实际的动作，跟裸机驱动是一致的，因为驱动的本质就是直接操作硬件，而对于硬件的操作方法是硬件的数据手册里边统一定义的，手册没有改，对硬件的操作同样不会变化，

3、系统实现控制驱动的通信方法，裸机驱动调用控制驱动的方法直接调用就可以，而系统中需要通过ioctl来实现应用驱动的程序跟驱动程序的通信控制。

源码：

1、Makefile

ifeq ($(KERNELRELEASE),)

KERNELDIR ?= /home/linux/linux-3.14-fs4412/

#KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build

PWD := $(shell pwd)

modules:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD)

modules_install:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install

clean:

rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions Module* modules*

.PHONY: modules modules_install clean

else

obj-m := fs4412_led.o

endif

2、头文件

#ifndef S5pV210_LED_HH

#define S5pV210_LED_HH

#define LED_MAGIC 'L'

* need arg = 1/2

#define LED_ON _IOW(LED_MAGIC, 0, int)

#define LED_OFF _IOW(LED_MAGIC, 1, int)

#endif

3、实现文件

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/cdev.h>

#include <asm/io.h>

#include <asm/uaccess.h>

#include "fs4412_led.h"

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

#define LED_MA 500

#define LED_MI 0

#define LED_NUM 1

#define FS4412_GPF3CON 0x114001E0

#define FS4412_GPF3DAT 0x114001E4

#define FS4412_GPX1CON 0x11000C20

#define FS4412_GPX1DAT 0x11000C24

#define FS4412_GPX2CON 0x11000C40

#define FS4412_GPX2DAT 0x11000C44

static unsigned int *gpf3con;

static unsigned int *gpf3dat;

static unsigned int *gpx1con;

static unsigned int *gpx1dat;

static unsigned int *gpx2con;

static unsigned int *gpx2dat;

struct cdev cdev;

void fs4412_led_on(int nr)

{

switch(nr) {

case 1:

writel(readl(gpx2dat) | 1 << 7, gpx2dat);

break;

case 2:

writel(readl(gpx1dat) | 1 << 0, gpx1dat);

break;

case 3:

writel(readl(gpf3dat) | 1 << 4, gpf3dat);

break;

case 4:

writel(readl(gpf3dat) | 1 << 5, gpf3dat);

break;

}

void fs4412_led_off(int nr)

{

switch(nr) {

case 1:

writel(readl(gpx2dat) & ~(1 << 7), gpx2dat);

break;

case 2:

writel(readl(gpx1dat) & ~(1 << 0), gpx1dat);

break;

case 3:

writel(readl(gpf3dat) & ~(1 << 4), gpf3dat);

break;

case 4:

writel(readl(gpf3dat) & ~(1 << 5), gpf3dat);

break;

}

static int s5pv210_led_open(struct inode *inode, struct file *file)

{

return 0;

}

static int s5pv210_led_release(struct inode *inode, struct file *file)

{

return 0;

}

static long s5pv210_led_unlocked_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)

{

int nr;

if(copy_from_user((void *)&nr, (void *)arg, sizeof(nr)))

return -EFAULT;

if (nr < 1 || nr > 4)

return -EINVAL;

switch (cmd) {

case LED_ON:

fs4412_led_on(nr);

break;

case LED_OFF:

fs4412_led_off(nr);

break;

default:

printk("Invalid argument");

return -EINVAL;

}

return 0;

}

int fs4412_led_ioremap(void)

{

int ret;

gpf3con = ioremap(FS4412_GPF3CON, 4);

if (gpf3con == NULL) {

printk("ioremap gpf3con\n");

ret = -ENOMEM;

return ret;

}

gpf3dat = ioremap(FS4412_GPF3DAT, 4);

if (gpf3dat == NULL) {

printk("ioremap gpx2dat\n");

ret = -ENOMEM;

return ret;

}

gpx1con = ioremap(FS4412_GPX1CON, 4);

if (gpx1con == NULL) {

printk("ioremap gpx2con\n");

ret = -ENOMEM;

return ret;

}

gpx1dat = ioremap(FS4412_GPX1DAT, 4);

if (gpx1dat == NULL) {

printk("ioremap gpx2dat\n");

ret = -ENOMEM;

return ret;

}

gpx2con = ioremap(FS4412_GPX2CON, 4);

if (gpx2con == NULL) {

printk("ioremap gpx2con\n");

ret = -ENOMEM;

return ret;

}

gpx2dat = ioremap(FS4412_GPX2DAT, 4);

if (gpx2dat == NULL) {

printk("ioremap gpx2dat\n");

ret = -ENOMEM;

return ret;

}

return 0;

}

void fs4412_led_iounmap(void)

{

iounmap(gpf3con);

iounmap(gpf3dat);

iounmap(gpx1con);

iounmap(gpx1dat);

iounmap(gpx2con);

iounmap(gpx2dat);

}

void fs4412_led_io_init(void)

{

writel((readl(gpf3con) & ~(0xff << 16)) | (0x11 << 16), gpf3con);

writel(readl(gpx2dat) & ~(0x3<<4), gpf3dat);

writel((readl(gpx1con) & ~(0xf << 0)) | (0x1 << 0), gpx1con);

writel(readl(gpx1dat) & ~(0x1<<0), gpx1dat);

writel((readl(gpx2con) & ~(0xf << 28)) | (0x1 << 28), gpx2con);

writel(readl(gpx2dat) & ~(0x1<<7), gpx2dat);

}

struct file_operations s5pv210_led_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open = s5pv210_led_open,

.release = s5pv210_led_release,

.unlocked_ioctl = s5pv210_led_unlocked_ioctl,

};

static int s5pv210_led_init(void)

{

dev_t devno = MKDEV(LED_MA, LED_MI); //构建设备号

int ret;

ret = register_chrdev_region(devno, LED_NUM, "newled"); //分配设备号，这里用静态申请

if (ret < 0) {

printk("register_chrdev_region\n");

return ret;

}

cdev_init(&cdev, &s5pv210_led_fops); //cdev结构体初始化，最关键的是将file_operations结构体的地址关联到cdev中

cdev.owner = THIS_MODULE;

ret = cdev_add(&cdev, devno, LED_NUM); //增加设备，将主设备号和次设备号关联到cdev中

if (ret < 0) {

printk("cdev_add\n");

goto err1;

}

ret = fs4412_led_ioremap(); //映射io端口的物理地址为虚拟地址，因为般来说，在系统运行时，外设的I/O内存资源的物理地址是已知的，由硬件的设计决定。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围，驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源，而必须将它们映射到核心虚地址空间内（通过页表），然后才能根据映射所得到的核心虚地址范围，通过访问内存指令访问这些I/O内存资源。

if (ret < 0)

goto err2;

fs4412_led_io_init();

printk("Led init\n");

return 0;

err2:

cdev_del(&cdev);

err1:

unregister_chrdev_region(devno, LED_NUM); //注销设备号

return ret;

}

static void s5pv210_led_exit(void)