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[系统运维]linux驱动开发---BCM2835的GPIO驱动示例

引言

????????GPIO可以说是驱动中最最最简单的部分了，但网上有些文章用的都是Python或者shell脚本编写，通过第三方库，这并不算是真正的驱动编写，因为在编写过程中，你几乎没有涉及到底层硬件或寄存器操作。
????????所以本文是希望从零开始，在Linux内核下实现一个真正的GPIO驱动程序，初步体验一下Linux内核驱动模块的开发思想，知其然，知其所以然

第一步：先有一本BCM2835的Datasheet

????????有一本芯片手册，才可以看到芯片内部的总线和内存、寄存器等的分布，这是驱动开发的第一步，也是关键的一步。走驱动开发道路的同学，一定要有读英文芯片手册的能力。
????????下载地址 BCM2835 Datesheet
在这里插入图片描述

第二步：下载linux内核源码

????????这里建议下载和树莓派系统内核版本一致的linux内核源码，如果找不到可以下相近版本号下的不同更新系列。
源地址：kernel官方网站
没想要的看看可以这篇文章：linux源码下载教程

第三步：开始编写驱动

????????前面的准备工作已完成，我们现在开始编写驱动代码。

1、Datasheet中GPIO区(！！！非常重要！！！)

????????我们的目的很明确给GPIO编写驱动，所以直接翻到手册89页，看GPIO的内容。
????????如图是部分引脚的地址、名字、描述、大小以及读写权限。注意此处的Address，是驱动编写过程中的重要部分之一。一开始我以为这就是GPIO物理内存地址，文档也没有说明，写了半天代码一直都不成功。后来查了网上资料，发现树莓派3B/3B+的GPIO物理内存地址被映射到了0x3F200000！，我也是吐了。
????????但下面的偏移地址还是有用的，根据手册的描述，GPIO物理地址起始位置是0x7E200000，用图中的Address减去GPIO物理地址起始位置是0x7E200000，即是每个GPIO引脚的偏移量，至于啥是地址偏移量，做驱动开发之前都应该都知道，不知道到的话，先退出这一块吧。
????????综上所述，要想操控GPIO并编写驱动，所使用的使能GPIOx的地址应为0x3F200000 + GPIOx偏移量。
在这里插入图片描述

2、根据内核驱动框架GPIO驱动

????????对于驱动的编写，BCM2835有一套驱动框架，这个的话，大家自己去刚刚下载linux源码中找到原GPIO驱动文件，框架都是定死的，为了整个系统的稳定和统一，方便管理，这个点就不用想别的。驱动的添加都是以插入链表节点的形式，我们根据框架，编写好满足我们需求的程序。

2.1 驱动文件及框架

????????这里先给出根据框架编写好的驱动程序，细节部分我都一一注释了，下面讲解一下结构体和其他地方。

#include <linux/fs.h>		 //file_operations声明
#include <linux/module.h>    //module_init  module_exit声明
#include <linux/init.h>      //__init  __exit 宏定义声明
#include <linux/device.h>	 //class  devise声明
#include <linux/uaccess.h>   //copy_from_user 的头文件
#include <linux/types.h>     //设备号  dev_t 类型声明
#include <asm/io.h>          //ioremap iounmap的头文件


static struct class *pin5_class;  
static struct device *pin5_class_dev;

static dev_t devno;                //设备号
static int major =231;  		   //主设备号
static int minor =1;			   //次设备号
static char *module_name="pin5";   //模块名

volatile unsigned int *GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int *GPSET0  = NULL;
volatile unsigned int *GPCLR0  = NULL;

//led_open函数
static int pin5_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
		printk("pin5_open\n");  //内核的打印函数和printf类似

		//&避免影响其他引脚
		//bit12-14 配置成001 控制BCM pin5
		*GPFSEL0 &= ~(0x6 << 12);
		*GPFSEL0 |= (0x1 << 12);
		return 0;
}

//led_write函数
static ssize_t pin5_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
		int usercmd;
		printk("pin5_write\n");

		//获取上层write函数的值  函数 copy_from_user
		copy_from_user(&usercmd,buf,count);
		//根据值来操作IO口
		printk("get value\n");
		if(usercmd == 1){
			printk("BCM 5 SET \n");
			*GPSET0 |= 0x01 << 4;
		}else if(usercmd == 0){
			printk("BCM 5 RESET\n");
			*GPCLR0 |= 0x01 << 4;
		}else{
			printk("GPIO 0 do nothing\n");
		}
		return 0;
}

static struct file_operations pin5_fops = {
		.owner = THIS_MODULE,
		.open  = pin5_open,
		.write = pin5_write,
};
int __init pin5_drv_init(void)   
{
		int ret;
		devno = MKDEV(major,minor);  //创建设备号
		//注册驱动  告诉内核，把这个驱动加入到内核驱动的链表中
		ret   = register_chrdev(major, module_name,&pin5_fops); 
		pin5_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");
		//创建设备文件
		pin5_class_dev =device_create(pin5_class,NULL,devno,NULL,module_name); 

		//把物理地址转换为虚拟地址，io口寄存器映射成普通内存单元进行访问
		GPFSEL0 =  (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);
		GPSET0  =  (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001c,4);
		GPCLR0  =  (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
		return 0;
}
void __exit pin5_drv_exit(void)
{
		iounmap(GPFSEL0);
		iounmap(GPSET0);
		iounmap(GPCLR0);
		device_destroy(pin5_class,devno);
		class_destroy(pin5_class);
		unregister_chrdev(major, module_name);  //卸载驱动
}
module_init(pin5_drv_init);  //驱动添加入口
module_exit(pin5_drv_exit); 
MODULE_LICENSE("GPL v2");

2.2 框架解释

static的作用
????????防止与其他的文件有变量命名冲突，static限定变量的作用域仅仅只在这个文件。

结构体成员变量的单独赋值

// 驱动链表结构体，这个连接上层应用函数，给用户暴露接口，如熟悉的open\write\read等上层接口。
struct file_operations {
        struct module *owner;
        loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
        ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
        ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
        ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
        ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
        int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
        unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
        long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
        long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
        int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
        int (*open) (struct inode *, struct file *);
        int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
        int (*release) (struct inode *, struct file *);
        int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
        int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
        int (*fasync) (int, struct file *, int);
        int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
        ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
        unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
        int (*check_flags)(int);
        int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
        ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
        ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
        int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
        long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,loff_t len);
        int (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
};

//这个file_operations 的实例化，这里仅使用部分函数.
//如下代码我们要给上层功能接口，赋值给予功能，不然这个上层接口只不过是个空壳。
static struct file_operations pin5_fops = {
		.owner = THIS_MODULE,
		.open  = pin5_open,
		.write = pin5_write,
};

如下图所示，是GPIO驱动的主设备号、次设备号等信息，其中变量module_name指明的是驱动的名称，就是在/dev目录下所显示名字
在这里插入图片描述

3、编写用户程序

????????此程序用来测试，我们编写的驱动程序是否有效，示例如下：

#include <sys/types.h>                                                          
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    int fd; 
    int cmd;
    int data;
    fd = open("/dev/pin5",O_RDWR);
    
    scanf("%d",&cmd);
    if(cmd == 1){ 
        data = 1;
    }else if(cmd == 0){ 
        data = 0;
    }   
    printf("data = %d\n",data);
    fd = write(fd,&data,1);
    return 0;
}

第四步：编译驱动程序

1、字符设备驱动

????????驱动设备一共有三种类型，而我们所编写的GPIO启动属于其中的字符驱动。所以要把编写好的驱动程序放到对应的目录下，目录如下：
????????…/linux-rpi-4.14.y/drivers/char
????????当然也不一定非要放在char目录下，这样只是为了少些几个字。若你把驱动程序放在别的地方。记得在Makefile中指明路径。

2、修改char目录下的Makefile文件

????????我们在此按Module类型进行编译生成，并指明编译后的.o文件名，然后保存退出。

obj-m               += pin5driver1.o

在这里插入图片描述

3、编译

3.1 内核驱动编译

????????我们退回到内核源码起始目录下，…/linux-rpi-4.14.y
在这里插入图片描述
输入以下命令进行内核驱动编译

sudo ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make modules

编译需要等待一会，根据实际情况而定，成功后，生成xxx.ko文件，提示如下图：
在这里插入图片描述

3.2用户程序编译

????????对于用户程序的编译，我们使用到了arm交叉编译工具链，没有或想快速上手的话，自己在移植的设备中编写，编译即可，都一样的。
在这里插入图片描述

第五步：功能测试

1、SCP命令传输驱动程序和用户程序

很简单的命令，格式如下：

scp main pi@[IP地址]:[所要传输至的目录]
scp pin5driver1.ko pi@[IP地址]:[所要传输至的目录]

2、插入驱动到设备驱动链表

这里不多做解释，命令如下：

sudo insmod xxxx.ko 加载内核驱动
lsmod  查看驱动是否插入成功

在这里插入图片描述

输入ls /dev 可以看到pin5结点，说明插入成功

在这里插入图片描述

3、运行用户程序

更改/dev/pin5的操作权限

输入命令 sudo chmod 777 /dev/pin5

如果此处不更改权限可能出现用户程序无法使用驱动或其他错误，如下：
错误1
错误1
错误2
在这里插入图片描述
做完以上工作后，我们就可以直接运行用户程序了:

./main

在这里插入图片描述

再通过dmesg查看内核打印信息
出现如图所示标志1和标志2，说明我们的内核驱动编写是成功的。

标志1
????????含有pin5_open\pin5_write\get value\BCM 5 SET等信息，标志成功
在这里插入图片描述
标志2
????????BCM 5 引脚由原来的
????????MODE：IN，V：0
????????变成了
????????MODE:OUT，V:1，
????????说明成功

4、查看内核版本指令

????????查看内核版本主要是为了确定，我们将驱动移植到的设备系统的版本以及编译环境的内核版本。

用到了两条指令，
uname -runame -r 用来查看系统内核版本
modinfo pin5driver1.ko 用来再次确定驱动ko文件的内核版本

在这里插入图片描述

最后：总结

1、编写内核驱动必须遵循整个驱动框架的编写规则。
2、现有的设备驱动链表中添加驱动，必须符合整个设备驱动链表形式。
3、使用到了insmod插入结点\rmmod删除结点等命令。
4、内核驱动编译命令\用户程序编译命令的格式
5、编译环境、linux内核源码以及移植设备，这三者的内核版本，必须一致或相近，不然会出现实验失败情况。

最近，还是要接着更新linux系统编程内容部分内容，接着往下写。
上次写到了这里：
linux系统编程之进程（全）
linux网络编程之sockaddr与sockaddr_in