嵌入式Linux學習筆記(三) 字元型裝置驅動--LED的驅動開發
在成功構建了一個能夠執行在開發板平臺的系統後，下一步就要正式開始應用的開發(這裡前提是有一定的C語言基礎，對ARM體系的軟/硬體，這部分有疑問可能要參考其它教程)，根據需求仔細分解任務，可以發現包含的外設有LED，BEEP，RS232，六軸感測(SPI介面),光環境感測器(I2C)，音訊輸出, RTC等，如果按照這個順序去實現驅動，一定程度其實又迴歸最初的模組學習的策略，不過既然是從應用的角度，先實現應用框架，來驗證是否符合預期，這比測試模組驅動的更重要，也更容易有產出感。 按照這個需求，就可以先把實際工作分解為如下幾個步驟:
1.完成LED驅動，能夠正常控制LED的點亮和關閉(本節完成)
2.完成RS232的驅動，能夠實現串列埠的通訊
3.定義一套上位機、下位機之間的通訊協議(也可以使用主流工業協議如Modbus), 並在上位機和下位機編碼實現通訊協議的組包和解包
4.實現一套介面化的上位機工具，帶有除錯功能和控制功能
既然初步的工作已經清晰，就可以開始第一步的工作，完成LED的驅動。
參考資料
1. 開發板原理圖 《IMX6UL_ALPHA_V2.0(底板原理圖)》 《IMX6ULL_CORE_V1.4(核心板原理圖)》
2. 正點原子《Linux驅動開發指南說明V1.0》 第四十章 字元驅動裝置開發
3. 宋寶華 《Linux裝置驅動開發詳解：基於最新的Linux 4.0核心》 第六章 字元驅動裝置
4. 恩智浦官方手冊 《IMX6ULL參考手冊》Chapter 18:Clock Controller Module(CCM)/Chapter 28:General Purpose Input/Output (GPIO)
LED硬體配置實現
首先當然要確定原理圖，下圖來自底板和核心板原理圖。
通過追蹤就可以檢視當前使用LED的引腳為GPIO1_IO3。
確定硬體後，第一步就是配置GPIO需要使用的暫存器了，對於使用過微控制器的使用者來說，對於GPIO這類外設，一般包含以下步驟：
1. 使能模組時鐘
2. 配置模組或者相關模組的暫存器，使模組複用到需要的功能
3. 提供對外訪問的介面
對於嵌入式Linux來說，這部分也沒有區別，硬體初始化介面(具體暫存器可使用《IMX6ULL參考手冊》查詢)
1 /**
2 * LED硬體初始化，引腳GPIO1_IO03
3 *
4 * @param NULL
5 *
6 * @return NULL
7 */
8 static void led_gpio_init(void)
9 {
10 u32 value;
11
12 /*1. 暫存器地址對映*/
13 IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(0X020C406C, 4); //時鐘使能
14 SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E0068, 4); //複用功能設定
15 SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(0X020E02F4, 4); //設定PAD的輸出狀態
16 GPIO1_DR = ioremap(0X0209C000, 4); //設定LED輸出
17 GPIO1_GDIR = ioremap(0X0209C004, 4); //設定GPIO的狀態
18
19 /*2.時鐘使能*/
20 value = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
21 value &= ~(3 << 26);
22 value |= (3 << 26);
23 writel(value, IMX6U_CCM_CCGR1);
24 printk("led write 0");
25
26 /*3.複用功能設定*/
27 writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
28
29 /*4.引腳IO功能設定*/
30 writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
31
32 /*5.引腳輸出功能配置*/
33 value = readl(GPIO1_GDIR);
34 value |= (1 << 3); /* 設定新值 */
35 writel(value, GPIO1_GDIR);
36
37 /*5.關閉LED顯示，高電平關閉*/
38 value = readl(GPIO1_DR);
39 value |= (1 << 3);
40 writel(value, GPIO1_DR);
41
42 printk(KERN_INFO"led hardware init ok\r\n");
43 }
硬體資源釋放.
1 /**
2 * 釋放硬體資源
3 *
4 * @param NULL
5 *
6 * @return NULL
7 */
8 static void led_gpio_release(void)
9 {
10 iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
11 iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
12 iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
13 iounmap(GPIO1_DR);
14 iounmap(GPIO1_GDIR);
15 }
硬體裝置管理
1 /**
2 *LED燈開關切換
3 *
4 * @param status LED開關狀態，1開啟，0關閉
5 *
6 * @return NULL
7 */
8 static void led_switch(u8 status)
9 {
10 u32 value;
11 value = readl(GPIO1_DR);
12
13 switch(status)
14 {
15 case LED_OFF:
16 printk(KERN_INFO"led off\r\n");
17 value |= (1 << 3);
18 writel(value, GPIO1_DR);
19 break;
20 case LED_ON:
21 printk(KERN_INFO"led on\r\n");
22 value &= ~(1 << 3);
23 writel(value, GPIO1_DR);
24 break;
25 default:
26 printk(KERN_INFO"Invalid LED Set");
27 break;
28 }
29 }
至此，我們就實現了和硬體執行的介面
led_gpio_init()/led_gpio_release()/led_switch(n)
嵌入式核心模組實現
嵌入式核心模組的參考本系列的第一篇檔案，主要提供載入到Linux核心，用於insmod和rmmod訪問的介面，這部分因為已經講過，如果希望理解就去看第一節內容，或者參考上面提供的資料。
Linux載入的介面:
1 /**
2 * 驅動入口函式
3 *
4 * @param NULL
5 *
6 * @return the error code, 0 on initialization successfully.
7 */
8 static int __init led_module_init(void)
9 {
10 //此處新增設備註冊的實現
11 //......
12 }
13 module_init(led_module_init);
Linux釋放的介面:
1 /**
2 * 驅動釋放函式
3 *
4 * @param NULL
5 *
6 * @return the error code, 0 on release successfully.
7 */
8 static void __exit led_module_exit(void)
9 {
10 //此處新增設備註銷的實現
11 //......
12 }
13 module_exit(led_module_exit);
此外，在新增驅動說明，如作者，許可證和驅動說明等
1 MODULE_AUTHOR("zc"); //模組作者
2 MODULE_LICENSE("GPL v2"); //模組許可協議
3 MODULE_DESCRIPTION("led driver"); //模組許描述
4 MODULE_ALIAS("led_driver"); //模組別名
至此本節的準備工作全部完成，下面就開始完成總線上裝置的建立，這也是本章最核心的特徵。
裝置建立和釋放
裝置建立如果按照固定的結構，使用起來雖然有些困難，如果按照官方流程來實現，是有跡可循的。但是如何從應用層的訪問介面open，read，write，close到底層驅動的xxx_open, xxx_read, xxx_write, xxxx_close的呼叫，這部分的理解在整個驅動機制的重要部分，這部分的難度當然不是一次可以講清楚的，這裡先拋磚引玉，在後面驅動的實踐中會步步深入去理解。
作為熟悉C語言知識的開發者來說，可以很清楚open這一類介面是用來訪問檔案的，而在Linux中，字元型裝置和塊裝置就體現了"一切都是檔案"的思想，參考《Linux裝置驅動開發詳解：基於最新的Linux 4.0核心》第5章的說明，
通關VFS(virtual Filesytem), 將上層介面操作/dev/*下的裝置檔案，最後訪問到驅動內部註冊的實際操作硬體的介面。
想理解這部分知識，就需要理解應用層介面做了什麼工作，參考這篇文章，https://www.jianshu.com/p/f3f5a33f2c59，以open為例。
open函式,這裡可以簡述步驟（下面所有實現在linux/fs/namei.c檔案中)
1.獲取一個可用的id，用於外部的記錄，如fd
2.根據name名稱如"/dev/led"獲取file指標資訊，包含裝置的實際資訊
3.將fd與file關聯起來，後續就可以通關fd直接訪問file指標的內容(裝置端資訊指標file)，至此我們就獲取裝置端的資訊
4.建立inode型別的資料nd，這部分就是VFS中連結到真正驅動的位置資訊，其中包含的cdev *i_cdev即是和裝置相關的指標，至於這部分如何連結到實際裝置，等後續深入瞭解後在詳細瞭解。
5.file和nd的連結則依靠file->f_path.mnt和nd->path.mnt配置相等實現
到達這一步，當然還遠遠不夠，但目前只是初步入門，先不過度深入，下面開始驅動編寫。其中在module_init中主要完成註冊流程，module_exit中完成釋放流程，此外還要實現訪問LED的介面，具體如下:
1.訪問LED的硬體介面連結
1 /**
2 * 獲取LED資源
3 *
4 * @param inode
5 * @param filp
6 *
7 * @return the error code, 0 on initialization successfully.
8 */
9 int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
10 {
11 filp->private_data = &led_driver_info;
12 return 0;
13 }
14
15 /**
16 * 釋放LED裝置資源
17 *
18 * @param inode
19 * @param filp
20 *
21 * @return the error code, 0 on initialization successfully.
22 */
23 int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
24 {
25 return 0;
26 }
27
28 /**
29 * 從LED裝置讀取資料
30 *
31 * @param filp
32 * @param buf
33 * @param count
34 * @param f_ops
35 *
36 * @return the error code, 0 on initialization successfully.
37 */
38 ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
39 {
40 return 0;
41 }
42
43 /**
44 * 向LED裝置寫入資料
45 *
46 * @param filp
47 * @param buf
48 * @param count
49 * @param f_ops
50 *
51 * @return the error code, 0 on initialization successfully.
52 */
53 ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
54 {
55 int result;
56 u8 databuf[2];
57
58 result = copy_from_user(databuf, buf, count);
59 if(result < 0) {
60 printk(KERN_INFO"kernel write failed!\r\n");
61 return -EFAULT;
62 }
63
64 /*利用資料操作LED*/
65 led_switch(databuf[0]);
66 return 0;
67 }
68
69 /**
70 * light從裝置讀取狀態
71 *
72 * @param filp
73 * @param cmd
74 * @param arg
75 *
76 * @return the error code, 0 on initialization successfully.
77 */
78 long led_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
79 {
80 switch(cmd){
81 case 0:
82 led_switch(0);
83 break;
84 case 1:
85 led_switch(1);
86 break;
87 default:
88 printk(KERN_INFO"Invalid Cmd!\r\n");
89 return -ENOTTY;
90 }
91
92 return 0;
93 }
94
95 /* 裝置操作函式 */
96 static struct file_operations led_fops = {
97 .owner = THIS_MODULE,
98 .open = led_open,
99 .read = led_read,
100 .write = led_write,
101 .unlocked_ioctl = led_ioctl,
102 .release = led_release,
103 };
2.建立裝置，新增到裝置總線上，這裡要提到知識點，
對於一個裝置的基本id，由主裝置號和子裝置號組成，其中主裝置就是掛載在/proc/devices下的裝置總線上，如果裝置已經存在，則可以用register_chdev_region直接生成裝置資訊，則需要使用alloc_chrdev_region申請新的裝置資訊。
在獲取裝置資訊結構後，可通過cdev_init將cdev，裝置號以及上面的硬體操作介面函式連結起來。
最後通過cdev_add將裝置資訊掛載到裝置總線上，這時通過cat /proc/devices就可以檢視裝置是否新增成功。
1 int result;
2
3 led_driver_info.major = DEFAULT_MAJOR;
4 led_driver_info.minor = DEFAULT_MINOR;
5
6 /*在總線上建立裝置*/
7 /*1.申請字元裝置號*/
8 if(led_driver_info.major){
9 led_driver_info.dev_id = MKDEV(led_driver_info.major, led_driver_info.minor);
10 result = register_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT, DEVICE_LED_NAME);
11 }
12 else{
13 result = alloc_chrdev_region(&led_driver_info.dev_id, 0, DEVICE_LED_CNT, DEVICE_LED_NAME);
14 led_driver_info.major = MAJOR(led_driver_info.dev_id);
15 led_driver_info.minor = MINOR(led_driver_info.dev_id);
16 }
17 if(result < 0){
18 printk(KERN_INFO"dev alloc or set failed\r\n");
19 return result;
20 }
21 else{
22 printk(KERN_INFO"dev alloc or set ok, major:%d, minor:%d\r\n", led_driver_info.major, led_driver_info.minor);
23 }
24
25 /*2.新增裝置到相應總線上*/
26 cdev_init(&led_driver_info.cdev, &led_fops);
27 led_driver_info.cdev.owner = THIS_MODULE;
28 result = cdev_add(&led_driver_info.cdev, led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
29 if(result != 0){
30 unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
31 printk(KERN_INFO"cdev add failed\r\n");
32 return result;
33 }else{
34 printk(KERN_INFO"device add Success!\r\n");
35 }
3.在/dev/下根據裝置號建立裝置節點，用於應用上層介面的訪問，這部分和mknod /dev/led c 主裝置號 從裝置號功能一致，理論使用指令也可，具體如下。
1 /* 4、建立類 */
2 led_driver_info.class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_LED_NAME);
3 if (IS_ERR(led_driver_info.class)) {
4 printk(KERN_INFO"class create failed!\r\n");
5 unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
6 cdev_del(&led_driver_info.cdev);
7 return PTR_ERR(led_driver_info.class);
8 }
9 else{
10 printk(KERN_INFO"class create successed!\r\n");
11 }
12
13 /* 5、建立裝置 */
14 led_driver_info.device = device_create(led_driver_info.class, NULL, led_driver_info.dev_id, NULL, DEVICE_LED_NAME);
15 if (IS_ERR(led_driver_info.device)) {
16 printk(KERN_INFO"device create failed!\r\n");
17 unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
18 cdev_del(&led_driver_info.cdev);
19
20 class_destroy(led_driver_info.class);
21 return PTR_ERR(led_driver_info.device);
22 }
23 else{
24 printk(KERN_INFO"device create successed!\r\n");
25 }
26
27 /*硬體初始化*/
28 led_gpio_init();
至此，建立裝置並新增到裝置匯流排的流程實現完畢，這就是module_init中需要的所有實現。
2.釋放模組
在上面我們建立裝置，佔用了系統資源，在解除安裝模組的時候，這些都要全部釋放，不然就會造成記憶體的洩露，具體如下。
1 /**
2 * 驅動釋放函式
3 *
4 * @param NULL
5 *
6 * @return the error code, 0 on release successfully.
7 */
8 static void __exit led_module_exit(void)
9 {
10 /* 登出字元裝置驅動 */
11 device_destroy(led_driver_info.class, led_driver_info.dev_id);
12 class_destroy(led_driver_info.class);
13
14 cdev_del(&led_driver_info.cdev);
15 unregister_chrdev_region(led_driver_info.dev_id, DEVICE_LED_CNT);
16
17 /*硬體資源釋放*/
18 led_gpio_release();
19 }
20 module_exit(led_module_exit);
測試程式碼實現
在上面驅動程式碼就已經實現，但對於應用來說，實現驅動並不是結束，我們還要完成測試單元，但驅動的有效性進行測試，這部分因為並不是嚴格的工業化專案，所以只做簡單的測試，程式碼如下
1 #include<unistd.h>
2 #include<sys/types.h>
3 #include<sys/stat.h>
4 #include<fcntl.h>
5 #include<stdio.h>
6
7 /**
8 * 測試LED工作
9 *
10 * @param NULL
11 *
12 * @return NULL
13 */
14 int main(int argc, const char *argv[])
15 {
16 unsigned char val = 1;
17 int fd;
18
19 fd = open("/dev/led", O_RDWR | O_NDELAY);
20 if(fd == -1)
21 {
22 printf("/dev/led open error");
23 return -1;
24 }
25
26 if(argc > 1){
27 val = atoi(argv[1]);
28 }
29
30 write(fd, &val, 1);
31
32 close(fd);
33 }
Makefile實現
Makefile的語法也是嵌入式Linux開發中重要知識，如果沒有對bash語法有深刻的認識，且理解編譯原理的那部分知識，這部分其實也十分困難，這也不是三兩句可以說清楚的，等積累一段時間後專門用筆記講解這部分內容，初步能大致看懂，修改會編譯就夠了。
KERNELDIR := /usr/code/linux
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := led.o
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
儲存為Makefile後，使用make指令，就可以編譯生成需要的led.ko檔案，此外通過
arm-linux-gnueabihf-gcc -o led_test led_test.c也可以生成我們需要的測試檔案。
檔案上傳和執行
可通過sd卡，ssh或者nfs系統，將上述檔案新增到上章編譯完成的系統中，
執行insmod /usr/driver/led.ko將驅動載入
執行lsmod查詢當前載入的驅動
通過./usr/app/led_test 1或者./usr/app/led_test 0控制LED的點亮和關閉，現象如下:
總結
至此，關於LED的驅動開發基本講解完成，雖然開發參考了部分例程用了不到2個小時，但完成這篇文件用了4個小時，為了能夠將知識可以解決出來，去查詢書籍，以及去檢視核心程式碼，但是這是值得的，我感覺對驅動有了更深刻的認知，但我認為這是值得的，下節將開始Uart驅動的編寫實現，整個流程算走上了正軌，不過我本身還要工作，這是因為五一才有這種效率更新，不過我已經制定了計劃，希望能夠順利的去學習