系列文章目录

Linux字符设备驱动详解
Linux字符设备驱动详解二（使用设备驱动模型）
Linux字符设备驱动详解三（使用class）
Linux字符设备驱动详解四（使用自属的xbus驱动总线）
Linux字符设备驱动详解五（使用platform虚拟平台总线）
Linux字符设备驱动详解六（设备树实现RGB灯驱动）
Linux字符设备驱动详解七（“插件“设备树实现RGB灯驱动）

前言

很久没有认真写一篇博客了，刚好最近学习了Linux字符设备驱动，好记性不如烂笔头，当然是要抓紧记下来，在开始之前安利一位师弟写的几篇博客，写得很不错。本文主要来自正点原子、野火Linux教程及本人理解，若有侵权请及时联系本人删除。
从单片机到ARM Linux驱动——Linux驱动入门篇
Linux字符设备驱动开发（2）——让开发板上的灯闪烁

驱动目录

/dev/xxx

正文

Linux内核是怎么设计字符设备

结合前两篇文章，我这里讲的就比较简洁，下图是字符设备的整体框图。将其分为三步。

第一步：填充并保存硬件接口

这一步就是驱动文件所实现的，以原子LED驱动为例，第一步主要完成通过操作寄存器填充硬件接口，然后通过cdev_init函数保存接口file_operation到cdev中，通过cdev_add函数，根据哈希函数保存cdev到probes哈希表中，方便内核查找file_operation使用。而这两个函数下面代码register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops) 已经帮我们都完成了，详情参考Linux源码。

下图说明了Linux使用一张哈希表（数组+链表）来管理设备号。

talk is cheap, show you the code（原子驱动文件）

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define LED_MAJOR		200		/* 主设备号 */
#define LED_NAME		"led" 	/* 设备名字 */

#define LEDOFF 	0				/* 关灯 */
#define LEDON 	1				/* 开灯 */
 
/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)	
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE				(0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE				(0X0209C004)

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

/*
 * @description		: LED打开/关闭
 * @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
 * @return 			: 无
 */
void led_switch(u8 sta)
{
	u32 val = 0;
	if(sta == LEDON) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val &= ~(1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}else if(sta == LEDOFF) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val|= (1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}	
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
 */
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
 */
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	int retvalue;
	unsigned char databuf[1];
	unsigned char ledstat;

	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
	if(retvalue < 0) {
		printk("kernel write failed!\r\n");
		return -EFAULT;
	}

	ledstat = databuf[0];		/* 获取状态值 */

	if(ledstat == LEDON) {	
		led_switch(LEDON);		/* 打开LED灯 */
	} else if(ledstat == LEDOFF) {
		led_switch(LEDOFF);	/* 关闭LED灯 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations led_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	int retvalue = 0;
	u32 val = 0;

	/* 初始化LED */
	/* 1、寄存器地址映射 */
  	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
	SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
  	SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
	GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);

	/* 2、使能GPIO1时钟 */
	val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
	val &= ~(3 << 26);	/* 清楚以前的设置 */
	val |= (3 << 26);	/* 设置新值 */
	writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
	 *    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
	 */
	writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
	
	/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性
	 *bit 16:0 HYS关闭
	 *bit [15:14]: 00 默认下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 关闭开路输出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
	 */
	writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);

	/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
	val = readl(GPIO1_GDIR);
	val &= ~(1 << 3);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (1 << 3);	/* 设置为输出 */
	writel(val, GPIO1_GDIR);

	/* 5、默认关闭LED */
	val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);

	/* 6、注册字符设备驱动 */
	retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
	if(retvalue < 0){
		printk("register chrdev failed!\r\n");
		return -EIO;
	}
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	/* 取消映射 */
	iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
	iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
	iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
	iounmap(GPIO1_DR);
	iounmap(GPIO1_GDIR);

	/* 注销字符设备驱动 */
	unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("mu-xin");

通过Makefile编译，make后生成名为“led.ko”的驱动模块文件，使用insmod命令加载模块，到此完成第一步

第二步：创建设备文件(节点)

第二步使用mknod命令创建设备文件(节点)。接下来我们就可以在用户态操作这个文件(节点)，比如向此设备文件(节点)写入数据。

sudo mknod /dev/xxx c 244 0

注意inode上的file_operation并不是自己构造的file_operation，而是字符设备通用的def_chr_fops，那么自己构建的file_operation等在应用程序调用open函数之后，才会绑定在文件上。

第三步：用户空间编程

完成前两步我们就可以通过写APP文件，或者使用echo命令操作设备文件(节点)。

野火echo命令测试

野火驱动文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define DEV_MAJOR		0		/* 动态申请主设备号 */
#define DEV_NAME		"red_led" 	/*led设备名字 */

/* GPIO虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO04;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO04;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return -EFAULT;
}

static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{

	unsigned char databuf[10];

	if(cnt >10)
		cnt =10;
		
    /*从用户空间拷贝数据到内核空间*/
    if(copy_from_user(databuf, buf, cnt)){
		return -EIO;
	}
    	
	if(!memcmp(databuf,"on",2)) {	
		iowrite32(0 << 4, GPIO1_DR);	
	} else if(!memcmp(databuf,"off",3)) {
		iowrite32(1 << 4, GPIO1_DR);
	}
	/*写成功后，返回写入的字数*/
	return cnt;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/* 自定义led的file_operations 接口*/
static struct file_operations led_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

int major = 0;
static int __init led_init(void)
{
	
	/* GPIO相关寄存器映射 */
  	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(0x20c406c, 4);
	SW_MUX_GPIO1_IO04 = ioremap(0x20e006c, 4);
  	SW_PAD_GPIO1_IO04 = ioremap(0x20e02f8, 4);
	GPIO1_GDIR = ioremap(0x0209c004, 4);
	GPIO1_DR = ioremap(0x0209c000, 4);


	/* 使能GPIO1时钟 */
	iowrite32(0xffffffff, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 设置GPIO1_IO04复用为普通GPIO*/
	iowrite32(5, SW_MUX_GPIO1_IO04);
	
    /*设置GPIO属性*/
	iowrite32(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO04);

	/* 设置GPIO1_IO04为输出功能 */
	iowrite32(1 << 4, GPIO1_GDIR);

	/* LED输出高电平 */
	iowrite32(1<< 4, GPIO1_DR);

	/* 注册字符设备驱动 */
	major = register_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME, &led_fops);
    printk(KERN_ALERT "led major:%d\n",major);

	return 0;
}

static void __exit led_exit(void)
{
	/* 取消映射 */
	iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
	iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO04);
	iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO04);
	iounmap(GPIO1_DR);
	iounmap(GPIO1_GDIR);

	/* 注销字符设备驱动 */
	unregister_chrdev(major, DEV_NAME);
}


module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("embedfire ");
MODULE_DESCRIPTION("led_module");
MODULE_ALIAS("led_module");

echo命令示例（注意echo命令的功能是在显示器上显示一段文字，该命令的一般格式为： echo [ -n ] 字符串，其中选项n表示输出文字后不换行；字符串能加单引号，也能不加单引号。该篇Linux字符设备驱动详解三（使用class））未加单引号

sudo sh -c "echo on >/dev/xxx"
开灯
sudo sh -c "echo on >/dev/xxx"
灭灯

原子APP文件测试

原子APP代码如下

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#define LEDOFF 	0
#define LEDON 	1

/*
 * @description		: main主程序
 * @param - argc 	: argv数组元素个数
 * @param - argv 	: 具体参数
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, retvalue,i;
	char *filename;
	unsigned char databuf[1];
	
	if(argc != 3){
		printf("Error Usage!\r\n");
		return -1;
	}

	filename = argv[1];

	/* 打开led驱动 */
	fd = open(filename, O_RDWR);
	if(fd < 0){
		printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	databuf[0] = atoi(argv[2]);	/* 要执行的操作：打开或关闭，使用字符转整形函数atoi()函数*/

	/* 向/dev/led文件写入数据 */
	for(i=0;i<10;i++)
	{
		retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
		if(retvalue < 0){
			printf("LED Control Failed!\r\n");
			close(fd);
			return -1;
		}
		sleep(1);
		retvalue = write(fd, 0, sizeof(0));
		if(retvalue < 0){
			printf("LED Control Failed!\r\n");
			close(fd);
			return -1;
		}
		sleep(1);
	}
	retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */
	if(retvalue < 0){
		printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}
	return 0;
}

通过命令编译生成ledApp这个应用程序

arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp

命令测试

./ledApp /dev/led 1
开灯
./ledApp /dev/led 0
灭灯

当我们在用户空间调用open后发生了什么，在用户空间调用open函数后，系统由用户态进入内核态

• get_unused_fd_flags
  • 为本次操作分配一个未使用过的文件描述符
• do_file_open
  • 生成一个空白struct file结构体
  • 从文件系统中查找到文件对应的inode
• do_dentry_open

static int do_dentry_open(struct file *f,
			  struct inode *inode,
			  int (*open)(struct inode *, struct file *))
{
	...
	/*把inode的i_fop赋值给struct file的f_op*/
	f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
	...
	if (!open)
		open = f->f_op->open;
	if (open) {
		error = open(inode, f);
		if (error)
			goto cleanup_all;
	}
	...
}

在do_dentry_open函数中调用下面的open函数

• def_chr_fops->chrdev_open

static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	const struct file_operations *fops;
	struct cdev *p;
	struct cdev *new = NULL;
	...
	struct kobject *kobj;
	int idx;
	/*从内核哈希表cdev_map中，根据设备号查找自己注册的sturct cdev，获取cdev中的file_operation接口*/
	kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode>i_rdev,&idx);
	new = container_of(kobj, struct cdev, kobj);
	...
	inode->i_cdev = p = new;
	...
	fops = fops_get(p->ops);
	...
	/*把cdev中的file_operation接口赋值给struct file的f_op*/
	replace_fops(filp, fops);
	
	/*调用自己实现的file_operation接口中的open函数*/
	if (filp->f_op->open) {
		ret = filp->f_op->open(inode, filp);
		if (ret)
			goto out_cdev_put;
	}
	...
}

总结

完成上面三步后就完成了LED字符设备的驱动编写，其他的字符设备可参考此驱动。

用户空间调用open函数打开某个设备文件后，在进程中会为设备文件分配一个未使用过的文件描述符，并且生成一个空白struct file结构体，然后从文件系统中查找到文件对应的inode，这里的inode也就是第二步自己在文件系统中创建的设备节点，然后把该inode的i_fop赋值给进程中的struct file的f_op，也就是说此时进程已经找到了设备节点了，但是还没有调用我们自己写的驱动，即真正的file_operation接口。

接下来为了调用真正的file_operation接口，我们从内核哈希表cdev_map中，根据设备号查找自己注册的sturct cdev，获取cdev中的file_operation接口，把cdev中的file_operation接口赋值给struct file的f_op，此时进程已经可以最终调用自己实现的file_operation接口中的open函数，至此进程获得了该设备文件的自己实现的读写等操作。

注意glibc库的fopen函数、系统调用open函数和自己实现的硬件接口open函数不能混淆。在字符设备驱动中系统调用open函数最终调用的是自己实现的硬件接口open函数。

最后，本篇基于Linux早期内核（2.4之前），没有统一的设备驱动模型，后面介绍Linux内核2.6版本以后的设备驱动模型，即使用挂载在/sys目录下的sysfs。
详情请阅读：Linux字符设备驱动详解二（使用设备驱动模型）