Linux驱动

1 驱动分类

　　常规分类：字符设备、块设备、网络设备

　　　　字符设备：一种按字节来访问的设备，字符驱动负责驱动字符设备，这样的驱动通常实现open、close、read和write系统调用。如串口、LED、按键；

　　　　块设备：以块(一般为512字节)为最小传输单位的设备，块设备不能按字节处理数据。在Linux系统中运行块设备传输任意数目的字节。块设备与字符设备的区别是驱动与内核的接口不同。如硬盘、flash、SD卡。

　　　　网络设备：可以是一个硬件设备，如网卡；也可以是一个纯粹的软件设备，如回环接口(lo)。一个网络接口负责发送和接收数据报文。

　　总线分类：USB设备、PCI设备、平台总线设备

2 硬件访问

　　

　　驱动程序要控制设备是通过设备内寄存器控制的。

　　硬件访问步骤：->地址映射->寄存器读写

　　在Linux系统中，无论是内核程序还是应用程序，都只能使用虚拟地址，而芯片手册中给出的寄存器地址或者RAM地址则是物理地址，无法直接使用。因此，读写寄存器的第1步就是将它的物理地址映射为虚拟地址。

　　地址映射包括动态映射和物理映射；

　　动态映射：在驱动程序中采用ioremap()函数将物理地址映射为虚拟地址：

　　　　函数原型: void *ioremap(physaddr,size)

　　　　　　　　　physaddr:待映射的物理地址

　　　　　　　　　size：映射的区域长度

　　　　　　　　  返回值：映射后的虚拟地址

　　　　静态映射：根据用户事先指定的映射关系，在内核启动时，自动将物理地址映射为虚拟地址。

　　　　用户是通过map_desc结构体来指明物理地址与虚拟地址的映射关系。

　　　　　　struct map_desc{
　　　　　　　　　　　　　　　unsigned long virtual; /* 映射后的虚拟地址 */
　　　　　　　　　　　　　　　unsigned long pfn; /* 物理地址所在的页帧号 */
　　　　　　　　　　　　　　　unsigned long length; /* 映射长度 */
　　　　　　　　　　　　　　　unsigned int type; /* 映射的设备类型 */
　　　　　　　　　　　　　};
　　　　　　pfn: 利用__phys_to_pfn(物理地址)可以计算出物理地址所在的物理页帧号

　　内核寄存器读写函数：

unsigned ioread8(void *addr0)
unsigned ioread16(void *addr0)
unsigned ioread32(void *addr0)

unsigned readb(address)
unsigned readw(address)
unsigned readl(address)

void iowrite8(u8 value,void *addr)
void iowrite16(u16 value,void *addr)
void iowrite32(u32 value,void *addr)

void writeb(unsigned value,address)
void writew(unsigned value,address)
void writel(unsigned value,address)

3 字符设备文件

　　字符设备驱动程序是通过字符设备文件被用户调用。

　　

　　通过字符设备文件，应用程序可以使用相应的字符设备驱动程序来控制字符设备。

　　应用程序首先通过文件名找到字符设备文件，假如要从设备中读出或者写入数据都是从字符设备文件展开的，字符设备文件是设备驱动程序和应用程序的一个媒介，应用程序对设备的操作是通过字符设备文件来完成的。

　　创建字符设备文件：

　　　　mknod命令

　　　　mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号          //c表示char

　　　例：mknod /dev/memdev0 c 253 0

　　　　字符设备文件与驱动程序通过主设备号建立起联系，字符设备文件对应一个主设备号，驱动程序对应一个主设备号，如果两个号相等说明两种之间是一一对应的关系。

　　　　当用户去操作设备的时候内核就会找到相应的驱动程序。

　　通过cat /proc/devices打印主设备号

　　次设备号0~255

　　ls /dev/memdev0   //查看

　　显示：/dev/memdev0

　　有了字符设备文件，也有了设备驱动程序，就要编写应用程序。就是通过字符设备文件访问设备驱动程序。

　　要访问硬件，其实就是访问硬件里的寄存器，假如定义一个数组，数组里头有5个整型的元素，每一个整型元素就可以模拟一个寄存器，要去操作硬件，最后可以变为操作数组，比如要把数据写入寄存器，实际上就变成往数组里头写入数据。通过驱动程序往数组里头写入数据。如果要从设备里头读出数据，通过驱动程序从数组里头读出数据。　

4 字符设备驱动实例

　　驱动程序通常采用内核模块的程序结构来进行编码。因此，编译/安装一个驱动程序，其实质就是编译/安装一个内核模块。

　　驱动程序文件包含：memdev.c、Makefile；应用程序文件包含：write_mem.c、read_mem.c；

　　1 通过命令make，编译驱动程序得到文件memdev.ko,并将其拷贝到nfs开发板挂载的目录，然后安装驱动程序

　　　　insmod memdev.ko       安装memdev.ko

　　　　lsmod　　　　　　　　　查看驱动

　　

　　2 使用命令查看设备号：cat /proc/devices

　　3 创建字符设备文件：

　　　　mknod /dev/memdev0 c 253 0           //名字不能跟已有的重复

　　

　　4 查看创建的设备字符文件

　　　　ls /dev/memdev0

　　　　显示： /dev/memdev0

　　5 编译应用程序write_mem.c

　　　　arm-linux-gcc write_mem.c -o write_mem

　　运行：./write_mem

　　报错：-/bin/sh: ./write_mem:not found (应用程序依赖的库找不到)

　　通过：arm-linux-readlef -d write_mem 查询应用程序所依赖的动态链接库

　　

　　通过ls命令查看，开发板中没有这个库，所以报错；

　　解决办法：

　　　　1 直接将libc.so.6复制到开发板中

　　　　2 采样静态编译的方法

　　　　　　arm-linux-gcc -static write_mem.c -o write_mem

　　采用静态编译后运行：./write_mem

　　6 编译应用程序read_mem.c

　　　　arm-linux-gcc -static read_mem.c -o read_mem

　　运行：./read_mem

　　结果：dst is 2013

5 字符设备驱动程序模板

　　

　　1 设备描述结构

　　在任何一种驱动模型中，设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的符设备在内核中使用struct cdev来描述。

　　　　struct cdev {
　　　　　　　　　　　　struct kobject kobj;
　　　　　　　　　　　　struct module *owner;
　　　　　　　　　　　　const struct file_operations *ops; //设备操作集
　　　　　　　　　　　　struct list_head list;
　　　　　　　　　　　　dev_t dev; //设备号
　　　　　　　　　　　　unsigned int count; //设备数
　　　　　　　　　   };

　　查看设备号：ls –l dev下都是设备文件

　　 eg：crw-r----- 1 root root 10, 223 12月 15:00.10 uinput

　　　　10:主设备号 　　223:次设备号

　　主设备号反映设备类型，次设备号区分同类型设备

　　

　　设备号操作：　

　　　　Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号.

　　　　问1：如果知道主设备号，次设备号，怎么组合成dev_t类型
　　　　答：dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)
　　　　问2: 如何从dev_t中分解出主设备号?
　　　　答: 主设备号 = MAJOR(dev_t dev)
　　　　问3: 如何从dev_t中分解出次设备号？
　　　　答: 次设备号=MINOR(dev_t dev)

　　设备号分配：静态申请和动态分配

　　静态申请：

　　　　开发者自己选择一个数字作为主设备号，然后通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。

　　动态分配：

　　　　使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号。

　　设备号注销

　　　　不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用unregister_chrdev_region函数释放这些设备号。

　　2 操作函数集

　　

　　Struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中的函数, 这些函数实现一个针对设备的操作, 对于不支持的操作则设置函数指针为 NULL。例如：

　　https://blog.csdn.net/littlelee111/article/details/10133759

　　　　struct file_operations dev_fops ={
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　.llseek = NULL,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　.read = dev_read,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　.write = dev_write,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　.ioctl = dev_ioctl,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　.open = dev_open,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　.release = dev_release,
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　};

　　3 字符设备初始化

　　分配cdev:可以采用静态和动态两种办法

　　静态分配：
　　　　struct cdev mdev;
　　动态分配：
　　　　struct cdev *pdev = cdev_alloc();

　　初始化cdev：

　　　　　 structcdev的初始化使用cdev_init函数来完成。
　　　　cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
　　　　参数：
　　　　　　cdev: 待初始化的cdev结构
　　　　　　fops: 设备对应的操作函数集

　　注册cdev：

　　　　    注册使用cdev_add函数来完成。

　　　　cdev_add(structcdev *p, dev_t dev, unsigned count)
　　　　参数：
　　　　　　p: 待添加到内核的符设备结构
　　　　　　dev: 设备号
　　　　　　count: 该类设备的设备个数

　　4 设备操作原型

　　　　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

　　struct file

　　　　在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file，它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。

　　　　重要成员：
　　　　　　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。

　　重要成员：
　　　　dev_t i_rdev：设备号

　　  设备操作open

　　open设备方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序中，open完成如下工作：

　　标明次设备号
　　启动设备

　　设备操作release

　　release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，它应该：关闭设备。

　　设备操作read

　　read设备方法通常完成2件事情：
　　　　从设备中读取数据(属于硬件访问类操作)
　　　　将读取到的数据返回给应用程序
　　ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
　　参数分析：
　　　　filp：与符设备文件关联的file结构指针, 由内核创建。
　　　　buff : 从设备读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。
　　　　count: 请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。
　　　　offp: 文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来

　　　　buff参数是来源于用户空间的指针，这类指针都不能被内核代码直接引用，必须使用专门的函数

　　　　　　int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n)
　　　　　　int copy_to_user(void __user *to, const void*from, intn)

　　设备操作write

　　write设备方法通常完成2件事情：
　　　　从应用程序提供的地址中取出数据
　　　　将数据写入设备(属于硬件访问类操作)
　　ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)

　　5 驱动注销

　　当我们从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成符设备的注销。