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【EVB-T335开发板试用体验】4、linux驱动篇：点亮一盏LED灯（上）

2017-3-22 10:13:55 5898

本帖最后由 jackeyt 于 2017-4-6 22:44 编辑

试用目录：
1、【EVB-T335开发板试用体验】+1开箱上电
2、【EVB-T335开发板试用体验】2、开发环境搭建+踩坑纪录
3、【EVB-T335开发板试用体验】3、建立linux内核source insight工程

此贴是【EVB-T335开发板试用体验】的第四篇：Linux驱动篇：点亮一盏LED灯（上）

该系列主要有三篇文章，主要介绍在Linux下如何编写LED（IO）驱动的三种主流方法：
1、使ioremap/unremap实现虚拟地址到物理地址的映射，以实现对芯片物理寄存器的读写操作从而实现IO控制；
2、使用Linux的GPIO库实现对IO的直接操作从而实现LED的亮灭控制；
3、利用平台总线（platform）实现IO操作，该方法易用，移植方法，主推方法。

本篇是该系列的第一篇，主讲如何通过“寄存器”的方法实现Linux对IO的操作实现。
主要包括以下内容：
一、硬件部分
1、硬件原理图分析
2、芯片手册使用说明

二、软件部分
1、Linux 驱动实现原理
2、Linux 驱动框架
3、Linux 驱动API使用
4、手把手教你编写Linux驱动-实现LED操作控制
5、Makefile的编写与使用
6、驱动编译、安装

三、应用层测试程序
1、应用层测试程序实现
2、交叉编译结果与测试

一、硬件部分
在进行嵌入式开发的过程中，第一件事就是确定硬件设备连接原理图，然后根据硬件设备特性以工作原理，操作主控芯片，以实现功能的逻辑。
1、硬件原理图分析
请见EVB-T335x官方自带的板子资料中相关的硬件原理图：

由上图可知，我们只需控制 GPIO_ULED，使之输出高电平，即能点亮LED灯。那么，继续查看手册，发现：GPIO_ULED该接口是连接至CPU的：GPIO3_16，如下图所示：

   因此，只需要控制该IO口输出高低电平即可实现对LED灯的亮灭控制。
   那么，该IO对应于芯片来说，具体的说明情况以及如何控制，我们得来看一下芯片的DataSheet手册。
2、芯片手册使用说明
   根据上述说明，我们按下来查看一下，芯片的DataSheet手册：位于linux_evb-t335datasheetCoM-T335CPUam335x-ref.pdf & am3354.pdf
那么，输入：GPIO3_16 进行搜索，即可得到如下图所示的寄存器控制名称。

那么，在am335x-ref.pdf中，我们可以找到mcasp0_axr0的寄存器名称为：conf_mcasp0_axr0，其位于CONTROL_MODULE REGISTERS 下面，且其地址偏移值为：998H

到这里，我们只是找到相应的控制寄存器，因此，我们还需要找到GPIO3的基地址，以及数据输出寄存器即可。如下图所示：

这里，我们可以看到GPIO3的基地址为：0x481AE000

此时，点击如上图所示的GPIO3处，可以进入超链接，到GPIO3的各个详细寄存器的说明。效果如下图：

这里，我们只关心两个寄存器：GPIO_OE以及GPIO_DATAOUT

我们依旧使用超链接点击跳转至相应的说明位置：

由上述两图可知，当向GPIO_OE寄存器里面往第n位写入1，就能使得该位对应地设为输出模式；同理，当向GPIO_DATAOUT寄存器里面往第n位写入1或者0，就能使得该位对应的IO口设为高/低电平。

总结：

1、首先，设置模式控制寄存器：conf_mcasp0_axr0,地址为：0x44E10000（基地址）+ 0x998（偏移地址）

2、其次，设置GPIO3的输出使能寄存器：GPIO_OE，地址为：0x481AE000（基地址）+ 0x134（偏移地址），向第16位写入1，使得GPIO3_16设为输出模式。

3、最后，向GPIO_DATAOUT寄存器，地址为：地址为：0x481AE000（基地址）+ 0x13C（偏移地址）向其里面往第n位写入1或者0，就能使得该位对应的IO口设为高/低电平；从而实现控制LED亮灭操作。

以上，就是硬件原理部分，有基本的硬件原理以及操作逻辑，我们就可以开始来写驱动程序了。下面开始介绍软件部分。

二、软件部分

在进行嵌入式开发的过程中，最常做的事情就是驱动配置硬件设备，然后根据功能需求使用硬件设备，实现功能的逻辑。如下是为其相互之间的关系：

应用程序<===>驱动程序<===>硬件设备

1、驱动程序：主要作为操作和配置硬件设备，使得硬件设备能够正常进行工作。
例如，在写点灯程序时，前提条件是从原理图了解到LED等与CPU/MCU之间的硬件连接（使用了哪一个GPIO口），驱动程序的作用就是初始化配置GPIO口，使得GPIO口能够进行工作，比如现在配置为推完输出模式。GPIO能够正常工作之后，那么就需要进行最基本的操作了，即灯亮和等灭。这就是驱动程序。

2、应用程序：当驱动程序能够时间最基本的灯亮和灯灭，那么是需要实现跑马灯，还是各种花样的灯的显示，这就由应用程序来决定了。

3、硬件设备：能够接受CPU/MCU通过驱动程序进行的操作，或者是能够为CPU/MCU提供有效的数据。

1、Linux 驱动实现原理

对于Linux操作系统而言，因其系统的强大和所支持功能的完善，可支持各种设备在Linux操作系统下运行。所以设备的类型繁多，如：字符设备，块设备，网络接口设备，USB设备，PCI设备，平台设备，混杂设备……而设备类型不同，也意味着其对应的驱动程序模型不同。即每一种类型的设备，都有其相应的驱动模型。

但总体而言，既然都是运行在Linux操作系统下的设备，所以其应当存在相应的驱动架构来进行驱动设备。

2、Linux 驱动框架

Linux下的设备驱动框架总结如下：

1. 加载（初始化）内核驱动：依赖于Linux内核的驱动模型，建立所需要操作的设备驱动并进行相应的操作。如下图：

2. 实现设备操作：

根据硬件设备的型号、功能特性等，实现驱动硬件设备正常工作，能够进行基本的操作，比如读取设备数据或者向设备写数据等。

3. 注销设备驱动：

在Linux系统中，会存在设备热拔插或者用户不想使用相应设备的应用场景，那么可以将相应的设备驱动在内核空间注销，将不能使用相应的设备驱动。

3、Linux 驱动API使用

对于Linux内核驱动而言，任何一种设备驱动模型都会用Linux内核中的一种结构来进行描述。对于字符设备确定而言，在Linux内核中使用struct cdev结构来描述。其结构原型如下：

【unsigned int count】：其表示设备的数目/数量，在同一个系统中，可能存在多个相同的设备，那么不需要每一个设备就为其提供一个驱动，而是统一提供同一个驱动，只需要在驱动中识别出是操作哪一个设备即可。Count结构成员的作用就是记录这一个驱动中存在多少个设备。

【dev_t dev】：表示这个设备的设备号，在Linux操作系统中，通过设备号的方式来进行区分不同是设备。

【const struct file_operations *ops】：设备驱动操作的函数集/方法集。这个方法集为上层应用程序提供相应的接口通道。实现用户空间的操作函数与内核空间的操作实现一一映射关系。

所以我们需要对所使用到的结构成员进行配置，驱动开发所使用到的结构成员分别为：
【unsigned int count】、【dev_t dev】、【const struct file_operations *ops】

(1)、分配设备cdev

Cdev变量的定义可以采用静态和动态两种方法进行分配。静态方法直接分配内存，而动态方法随机分配内存。

静态分配cdev：

定义：struct cdev mdev;

mdev即代表相应的字符设备空间地址。

动态分配cdev：

定义：struct cdev *pdev = cdev_alloc();

pdev即代表对于的字符设备的空间地址。

(2)、初始化设备cdev

Linux内核中，字符设备struct cdev的初始化使用cdev_init。其原型如下：

参数： cdev：待初始化的struct cdev结构

fops：设备对应的操作函数集

由原型所要求的参数可知，需要初始化一个字符设备，必须根据申请一个struct cdev结构的空间，然后对其成员进行配置。即实现设备的操作函数集、为设备申请设备号（包括主设备号和次设备号）、指定此类型的字符设备有多少个相同设备。

(3)、注册设备cdev

Linux内核中字符设备的注册使用cdev_add函数来进行完成注册。其原型如下：

其相关参数定义为：

p：待添加到内核中的字符设备结构，即为struct cdev。

dev：设备号

count：该类设备的设备数量，各个设备的区别体现为从设备号。

在开发驱动时，当确定了字符设备的结构，主设备号和从设备号、设备的数量，就可以使用cdev_add函数将相应的字符设备添加到Linux内核驱动中进行注册。

(4)、硬件初始化

关于硬件的初始化就简单了。直接根据所需要操作的字符设备，阅读器Datasheet，然后根据Datasheet进行硬件的配置即可。

所以，对于不同的硬件，需要操作的硬件不一样，针对EVB-335x的硬件原理已经在上面讲过啦，各位请看上文。

设备操作和驱动操作映射

从上图基本可知，在用户空间的每一种硬件设备操作函数，在内核空间通用有一个映射操作函数实现。

int (*open) (struct inode *, struct file *)：打开设备，响应open系统

int (*release) (struct inode *, struct file *)：关闭设备，响应close系统调用

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)：重定位读写指针，响应lseek系统调用

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)：从设备读取数据，响应read系统调用

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)：向设备写入数据，响应write系统调用

从以上函数指针操作方法中可以提取出两个重要的参数成员，即为struct file和struct inode。

【struct file】：在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会对应的关联一个struct file结构体，它由内核在打开文件时创建，在文件关闭后释放。

其非常重要的成员有：

loff_t f_pos /*文件读写指针*/

struct file_operations *f_op /*该文件所对应的操作*/

【struct inode】：每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode 结构，该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此, 它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构，但是却会关联一个inode 结构。

在struct inode结构中，dev_t i_rdev尤其重要，表示设备号。

4、手把手教你编写Linux驱动-实现LED操作控制

OK!经过上述的硬件、软件原理以及linux驱动框架等等的讲解，下面我们就开始动手写我们的第一个驱动程序，以LED为入门实操，实现Linux GPIO的操作实讲，以达到一通百通的目的。
首先，将上述的步骤总结一下：
(1)、编写好linux驱动框架：包含相应的头文件；入口、出口函数；模块声明宏定义等；
(2)、编写、完善file_operation结构体，包含相应的方法；
(3)、完善相应的出入口函数：包括相应的硬件初始化，字符设备注册/销毁，IO口重映射等等。
(4)、完善file_operation结构体下具体方法的实现以提供给应用程序的调用等。
——按照以上4个步骤，开始来编写我们第一个驱动程序：

第一步：编写好linux驱动框架：

第二步：编写、完善file_operation结构体，包含相应的方法：

第三步：完善相应的出入口函数：
3.1 入口函数：

其中，包括了：
      动态分配字符设备：alloc_chrdev_region
      初始化字符设备：cdev_init
      创建一个设备类：class_create
      创建一个设备类下的设备：device_create
3.2 出口函数：

其中，与入口函数相对应的：
            去除IO重映射：iounmap
            销毁设备类：class_destroy
            销毁设备类下的设备：device_destroy
            删除字符设备：cdev_del
            注销字符设备：unregister_chrdev_region
第四步：完善file_operation结构体下具体方法的实现：
在本次驱动中，我们只用到了上述提及的open、write、release三个具体方法，接下来我们就继续实现它们即可：
4.1、open函数：
open函数对应于上层应用程序中的open方法，当应用程序中使用open打开我们驱动程序相对应的设备文件时，内核就会自动访问到我们此时此位置的open函数，那么，根据上述条件，我们需要在open函数中实现对gpio口的输出方式的控制操作，十分简单：

当我们在上层应用程序中使用open打开，便会调用到此处的open函数，使得gpio3_16设备为我们想要的输出模式。

4.2、write函数：
那么，已经使用open函数打开设备文件时，就使得相应的IO口设置为输出模式，那么，当我们需要使得该IO输出高低电平时，我们需要用什么函数呢？顾名思义，使用write函数！write函数对应于上层应用程序中的write方法，当应用程序中使用write打开我们驱动程序相对应的设备文件时，内核就会自动访问到我们此时此位置的write函数，因此，我们只需要在该函数中实现对IO的电平控制，即可实现在应用层程序中对IO电平的控制了。
此时，新问题又出现了：当用户使用write写入一个'0'或者'1'的时候，我们驱动程序如何得知呢？
方法就是使用内核提供的copy_from_user这个函数：将应用层程序中的输入值传入至驱动程序，其具体原型如下：

之所以采用copy_to_user函数的原因是，buff参数来源于用户空间的指针，这类指针在内核空间中不能直接被内核代码直接引用，所以必须采用拷贝的方式进行数据的传递。具体的操作过程如下图表示：

OK！有了上述理论基础，那我们就来实现：当用户在应用程序输入'1'时，使得IO口输出高电平；反之，输出低电平。

4.3、release函数：
顾名思义，就是当用户释放时，会自动调用该函数。
这里，我们并不需要它实现具体的操作，我们加入一句调试语句，表示当调用此函数时，有提示。

总结，经过上述步骤，那么总体代码如下：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include //class_create
#include
#include
#include
#include
#include
#include
volatile unsigned int *gpio_con_mod = NULL;
volatile unsigned int *gpio_3_oe = NULL;
volatile unsigned int *gpio_3_out = NULL;
static dev_t dev;
static struct cdev cdev;
static struct class *led_class;
static int module_dev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
gpio_con_mod = (volatile unsigned int *)ioremap(GPIO_CONTROL_MODULE,4);
gpio_3_oe = (volatile unsigned int *)ioremap(GPIO_3_OE,4);
gpio_3_out = (volatile unsigned int *)ioremap(GPIO_3_DATAOUT,4);
printk("success openn");
*gpio_con_mod |= 0x07;
*gpio_3_oe &= ~(1<<16);
return 0;
}
static int module_dev_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk("success releasen");
return 0;
}
ssize_t module_dev_write(struct file *filp, const char __user *ubuf, size_t count, long * loff)
{
int ret = -1;
ret = copy_from_user(kbuf,ubuf,count);
if(ret)
{
printk("there is a error in program n");
return -EINVAL;
}
/*
* in the app:
* define "1" led_on
* define "0" led_off
*/
switch(kbuf[0])
{
case '1':
*gpio_3_out |=(1<<16);
break;
case '0':
*gpio_3_out &=(0<<16);
break;
default:
printk("write a error n");
break;
}
return 0;
}
static const struct file_operations fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = module_dev_open,
.release = module_dev_release,
.write = module_dev_write,
};
static int __init module_dev_init(void)
{
int retval = -1;
retval = alloc_chrdev_region(&dev,0,1,"led_module");
if(retval < 0)
{
return -EINVAL;
}
cdev_init(&cdev, &fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
retval = cdev_add(&cdev,dev,1);
if(retval < 0)
{
//goto failed;
}
led_class = class_create(THIS_MODULE,"led_module");
device_create(led_class,NULL,dev,NULL,"led_module");
printk("success init the led modulen");
return 0;
}
static void __exit module_dev_exit(void)
{
iounmap(gpio_con_mod);
iounmap(gpio_3_oe);
iounmap(gpio_3_out);
device_destroy(led_class,dev);
class_destroy(led_class);
cdev_del(&cdev);
unregister_chrdev_region(dev,1);
printk("success exit kerneln");
}
module_init(module_dev_init);
module_exit(module_dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("jackeyt@bbs.elecfans.com");

复制代码

5、Makefile的编写与使用

makefile主要用于编译管理，对于内核来说，我们需要makefile帮我们切换至linux内核根目录，然后使用linux内核下的module模板帮助我们编译即可，其内容文件如下：

KERNEL_DIR :=/home/jackeyt/linux-3.14.43-evbt335
all:
$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -rf *.o *.ko *.mod.o *.mod
obj-m +=led_drv.o

复制代码

可根据实际情况将内核目录以及相应的驱动文件改成实际的。

6、驱动编译、安装

将上述文件都放至相同的目录下，输入编译指令进入内核模块编译：

make ARCH=ARM CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

复制代码

便可，编译成功.ko的内核模块文件：

使用：

insmod led_drv.ko

复制代码

结果，如下图：

说明内核驱动模块已经成功安装并注册了。

安装该内核驱动模块。然后，再输入：

ls /dev/led*

复制代码

结果，如下：

至此，我们的内核驱动模块已经编译成功并成功在linux系统下生成相应的设备结点了，接下来，讲应用测试程序，以验证驱动程序是否正常。

三、应用层测试程序
1、应用层测试程序实现
   我们知道，在linux系统下，一切皆文件！
  并且按照上文所述，我们最终需要通过底层write函数进行实际IO控制。因此，我们的思路大概是：先打开一个设备文件，然后向其写入对应的数据，使其IO输出相应的电平。
  应用程序比较简单，这里不再赘述，大家看看代码就知道了：

#include
#include
#include
#include
#define FILE "/dev/led_module"
int main(void)
{
int fd = -1;
fd = open(FILE,O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("scanf is errorn");
return -1;
}
while(1)
{
write(fd,"1",1);
printf("led on successn");
sleep(2);
write(fd,"0",1);
printf("led off successn");
sleep(2);
}
close(fd);
return 0;
}

复制代码

此时，利用我们之前讲过的交叉编译工具，进行该程序的编译即可了：

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

复制代码

便可生成一个可执行文件：led_test

2、交叉编译结果与测试

结果，很明显，我们使用ls命令便可以看到了：

然后，直接在开发板上，执行:

./led_test

复制代码

便可以观察到开发板上的LED一亮一灭了，同时，串口终端上会输出：

至此，从硬件到linux内核驱动模块再到应用测试程序已经全部编写完成了！

（PS:这篇估计是电子发烧友上论坛史上最详细的linux内核驱动开发教程帖了，楼主整理，编写了差不多两个星期，请走过路过的朋友给个赞啊！！谢谢各位看官！！！！）

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0 给史上最强点个赞

2017-4-7 09:28:37 评论举报 1^# 新疆切糕

0 代表湖北人民给LZ点赞

2017-4-7 09:29:22 评论举报 2^# 绝代双骄

0 看得出楼主这排版也是花了功夫的啊！内容不错。

2017-4-7 09:30:37 评论举报 3^# 那些年儿ing

0 的确很详细，希望有更多人看到

2017-4-7 09:37:09 评论举报 4^# 嘟嘟

0 差不多写跟排版花了两个星期了！

2017-4-7 10:03:36 评论举报 5^# jackeyt

0 谢谢资料，细致易懂，好文

2017-4-7 10:18:00 评论举报 6^# 周立

0 不错，写的很详细，感谢楼主的分享

2017-4-7 10:47:02 评论举报 7^# Jianjun

0 写得很好，很详细。

2017-4-11 08:28:03 评论举报 9^# 刘

0 楼主写的真心不错，学习了，感谢楼主分享。

2017-4-11 22:32:24 评论举报 10^# h1654155200.7526

0 棒！

2017-4-8 07:14:50 评论举报 8^# larryho

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