Linux驱动开发笔记（二）基于字符设备驱动的I/O操作

文章目录

前言
一、设备驱动的作用与本质
- [1. 驱动的作用](#1. 驱动的作用)
- [2. 有无操作系统的区别](#2. 有无操作系统的区别)
二、内存管理单元MMU
三、相关函数
- [1. ioremap( )](#1. ioremap( ))
- [2. iounmap( )](#2. iounmap( ))
- [3. class_create( )](#3. class_create( ))
- [4. class_destroy( )](#4. class_destroy( ))
四、GPIO的基本知识
- [1. GPIO的寄存器进行读写操作流程](#1. GPIO的寄存器进行读写操作流程)
- [2. 引脚复用](#2. 引脚复用)
- [2. 定义GPIO寄存器物理地址](#2. 定义GPIO寄存器物理地址)
五、实验代码
- [1. 宏定义出需要的地址](#1. 宏定义出需要的地址)
- [2. 编写LED字符设备结构体且初始化](#2. 编写LED字符设备结构体且初始化)
- [3. container_of( )函数](#3. container_of( )函数)
- [4. file_operations结构体成员函数的实现](#4. file_operations结构体成员函数的实现)
- [5. 实验效果](#5. 实验效果)

前言

前段时间我们学习了字符驱动，并实现了字符的回环发送，这部分我们将进行I/O的操作学习，以万能的点亮LED为例。

一、设备驱动的作用与本质

直接操作寄存器点亮LED和通过驱动程序点亮LED最本质的区别就是有无使用操作系统。有操作系统的存在则大大降低了应用软件与硬件平台的耦合度，它充当了我们硬件与应用软件之间的纽带，使得应用软件只需要调用驱动程序接口API就可以让硬件去完成要求的开发，而应用软件则不需要关心硬件到底是如何工作的。

1. 驱动的作用

设备驱动与底层硬件直接打交道，按照硬件设备的具体工作方式读写设备寄存器，完成设备的轮询、中断处理、DMA通信，进行物理内存向虚拟内存的映射，最终使通信设备能够收发数据，使显示设备能够显示文字和画面，使存储设备能够记录文件和数据。

2. 有无操作系统的区别

无操作系统(即裸机)时的设备驱动也就是直接操作寄存器的方式控制硬件 ，在这样的系统中，虽然不存在操作系统，但是设备驱动是必须存在的。一般情况下，对每一种设备驱动都会定义为一个软件模块，包含.h文件和.c文件，前者定义该设备驱动的数据结构并声明外部函数，后者进行设备驱动的具体实现。其他模块需要使用这个设备的时候，只需要包含设备驱动的头文件然后调用其中的外部接口函数即可。比如我们在51或者STM32中直接看手册查找对应的寄存器，然后往寄存器相应的位写入数据0或1便可以实现LED的亮灭。

有操作系统时的设备驱动反观有操作系统。首先，驱动硬件工作的的部分仍然是必不可少的，其次，我们还需要将设备驱动融入内核。为了实现这种融合，必须在所有的设备驱动中设计面向操作系统内核的接口，这样的接口由操作系统规定，对一类设备而言结构一致，独立于具体的设备，还是以led为例，我们就要将LED灯引脚对应的数据寄存器(物理地址)映射到程序的虚拟地址空间当中，然后我们就可以像操作寄存器一样去操作我们的虚拟地址啦！

二、内存管理单元MMU

MMU是一个实际的硬件，为编程提供了方便统一的内存空间抽象，MMU内部有一个专门存放页表的页表地址寄存器，该寄存器存放着页表的具体位置，这使得只要程序在被分配的虚拟地址范围内进行读写操作，实际上就是对设备(寄存器)的访问，如下图所示。他的主要作用是将虚拟地址翻译成真实的物理地址 同时管理和保护内存，不同的进程有各自的虚拟地址空间，某个进程中的程序不能修改另外一个进程所使用的物理地址，以此使得进程之间互不干扰，相互隔离。总体而言MMU具有如下功能：

保护内存： MMU给一些指定的内存块设置了读、写以及可执行的权限，这些权限存储在页表当中，MMU会检查CPU当前所处的是特权模式还是用户模式，如果和操作系统所设置的权限匹配则可以访问，如果CPU要访问一段虚拟地址，则将虚拟地址转换成物理地址，否则将产生异常，防止内存被恶意地修改。
提供方便统一的内存空间抽象，实现虚拟地址到物理地址的转换： CPU可以运行在虚拟的内存当中，虚拟内存一般要比实际的物理内存大很多，使得CPU可以运行比较大的应用程序。

三、相关函数

上面提到了物理地址到虚拟地址的转换函数。包括ioremap()地址映射和取消地址映射iounmap()函数。

1. ioremap( )

c 复制代码

//用于将物理内存地址映射到内核的虚拟地址空间
void __iomem *ioremap(phys_addr_t phys_addr, unsigned long size)

//定义寄存器物理地址
#define GPIO0_BASE (0xFDD60000)
#define GPIO0_DR (GPIO0_BASE+0x0000)

va_dr = ioremap(GPIO0_DR, 4);    // 将物理地址GPIO0_DR，映射给虚拟地址指针，这段地址大小为4个字节
val = ioread32(va_dr);			 //读取该地址的值，保存到临时变量，重新赋值
val |= (0x00400000);             // 设置GPIO0_A6引脚低电平
writel(val, va_dr);				 //把值重新写入到被映射后的虚拟地址当中，实际是往寄存器中写入了数据

参数：
- phys_addr：要映射的物理地址的起始地址
- size：要映射的内存区域的大小（以字节为单位）
返回值：
- 如果成功，ioremap返回一个指向映射区域的虚拟地址的指针
- 如果失败，返回NULL

在使用ioremap函数将物理地址转换成虚拟地址之后，理论上我们便可以直接读写I/O内存，但是为了符合驱动的跨平台以及可移植性，我们应该使用linux中指定的函数(如：iowrite8()、iowrite16()、iowrite32()、ioread8()、ioread16()、ioread32()等)去读写I/O内存，如下表所示：

函数名	功能
unsigned int ioread8(void __iomem *addr)	读取一个字节(8bit)
unsigned int ioread16(void __iomem *addr)	读取一个字(16bit)
unsigned int ioread32(void __iomem *addr)	读取一个双字(32bit)
void iowrite8(u8 data, void __iomem *addr)	写入一个字节(8bit)
void iowrite16(u16 data, void __iomem *addr)	写入一个字(16bit)
void iowrite32(u32 data, void __iomem *addr)	写入一个双字(32bit)

2. iounmap( )

c 复制代码

//取消地址映射
void iounmap(void *addr)

iounmap(va_dr);     //释放掉ioremap映射之后的起始地址(虚拟地址)

参数
- addr：需要取消ioremap映射之后的起始地址(虚拟地址)。
返回值：无

3. class_create( )

c 复制代码

//提交目录信息
#define class_create(owner, name) \
({
	static struct lock_class_key _key; \
	_class_create(owner, name, &_key); \
})

参数
- owner：THIS_MODULE (struct module结构体的首地址这个结构体存放了驱动的出口入口)
- name：kobject对象名称
返回值
- 成功：返回结构体首地址
- 失败：返回错误码指针

注：IS_ERR(cls); 判断是否为错误指针

PTR_ERR(cls); 将错误码指针转换为错误码

4. class_destroy( )

c 复制代码

//注销目录信息
void class_destroy(struct class *cls);

参数
- cls：结构体首地址
返回值：无

四、GPIO的基本知识

1. GPIO的寄存器进行读写操作流程

使能GPIO时钟(默认开启，不用设置)
设置引脚复用为GPIO(复位默认为GPIO，不用配置)
设置引脚属性(上下拉、速率、驱动能力,默认)
控制GPIO引脚为输出，并输出高低电平

2. 引脚复用

对于rockchip系类芯片，我们需要通过参考手册以及数据手册来确定引脚的复用功能。首先可以看到泰山派的小灯连接引脚，这里我们选择GPIO1_B0_d。

通过查询rk3568官方资料，可以看到该引脚的复用功能如下所示。

再查找其复用功能存在于SYS_GRF寄存器，和复用相关的总共8个寄存器，如下图所示：

查询 Rockchip_RK3568_TRM_Part1 手册，GRF_GPIO1B_IOMUX_L寄存器(由于GPIO1_b0是在低八位，下同)，如下图所示：

寄存器总共32位，高16位都是使能位，控制低16位的写使能，低16位对应4个引脚，每个引脚占用3bits，不同的值引脚复用为不同功能。与此同时由[14:12]进行具体功能的设定。

我们可以查看到SYS_GRF寄存器的复用功能基地址为0xFDC60000。

此时通过命令行输入可以查询到该寄存器的设置情况，可以看到默认为GPIO口模式。

c 复制代码

//目标地址为Address Base(0xfdc60000)+offset(0x0008)
io -r -4 0xfdc60008

2. 定义GPIO寄存器物理地址

需要设置的寄存器的地址为base+offset，由下图可以知道GPIO1的基地址为：0xFE740000

接下来就是确定GPIO的是输入还是输出，我们这里需要的是GPIO_SWPORT_DDR_L。

可以看到GPIO_SWPORT_DDR_L的定义情况，这里我们可以重复上面提到的命令行，查看寄存器的设置情况，我们的b0应当是第1x7+1=8位。

同样查看可以看到这里的值为0x00000700。

数据寄存器选择GPIO_SWPORT_DR_L，大致流程和上面一样就不再赘述了。这里便完成了对GPIO的设置。

五、实验代码

1. 宏定义出需要的地址

c 复制代码

#define GPIO1_BASE (0xFE740000)

//一个寄存器32位，其中高16位都是写使能位，控制低16位的写使能；低16位对应16个引脚，控制引脚的输出电平
#define GPIO1_DR_L (GPIO0_BASE + 0x0000)  // GPIO0的低十六位引脚的数据寄存器地址
#define GPIO1_DR_H (GPIO0_BASE + 0x0004)  // GPIO0的高十六位引脚的数据寄存器地址

//一个寄存器32位，其中高16位都是写使能位，控制低16位的写使能；低16位对应16个引脚，控制引脚的输入输出模式
#define GPIO1_DDR_L (GPIO0_BASE + 0x0008)   // GPIO0的低十六位引脚的数据方向寄存器地址
#define GPIO1_DDR_H (GPIO0_BASE + 0x000C)   // GPIO0的低十六位引脚的数据方向寄存器地址

2. 编写LED字符设备结构体且初始化

c 复制代码

//led字符设备结构体
struct led_chrdev {
        struct cdev dev;
        unsigned int __iomem *va_dr;    // 数据寄存器虚拟地址保存变量
        unsigned int __iomem *va_ddr;   // 数据方向寄存器虚拟地址保存变量
        unsigned int led_pin; 			// 引脚
};

static struct led_chrdev led_cdev[DEV_CNT] = {
        {
        	.led_pin = 8				//CPIO1_B0的偏移为8+0=8
        },
};

3. container_of( )函数

在Linux驱动编程当中我们会经常和container_of()这个函数打交道，其宏定义实现如下所示：

c 复制代码

#define container_of(ptr, type, member) ({                      \
        const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \
        (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

参数：
- ptr：结构体变量中某个成员的地址
- type：结构体类型
- member：该结构体变量的具体名字
返回值：结构体type的首地址

原理其实很简单，就是通过已知类型type的成员member的地址ptr，计算出结构体type的首地址。 type的首地址 = ptr - size ，需要注意的是它们的大小都是以字节为单位计算的，container_of( )函数的主要作用如下：

判断ptr 与 member 是否为同一类型
计算size大小，结构体的起始地址 = (type *)((char *)ptr - size) (注：强转为该结构体指针)

注：文件私有数据

一般很多的linux驱动都会将文件的私有数据private_data指向设备结构体，其保存了用户自定义设备结构体的地址。自定义结构体的地址被保存在private_data后，可以通过读、写等操作通过该私有数据去访问设备结构体中的成员，这样做体现了linux中面向对象的程序设计思想。

4. file_operations结构体成员函数的实现

c 复制代码

static int led_chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    unsigned int val = 0;
    struct led_chrdev *led_cdev = (struct led_chrdev *)container_of(inode->i_cdev, struct led_chrdev, dev);
    filp->private_data = container_of(inode->i_cdev, struct led_chrdev, dev);

    printk("open\n");

    //读取数据方向寄存器
    val = ioread32(led_cdev->va_ddr);
    //设置数据方向寄存器为pin位可写
    val |= ((unsigned int)0x1 << (led_cdev->led_pin+16));	
    //设置数据方向寄存器为pin位输出
    val |= ((unsigned int)0X1 << (led_cdev->led_pin));
    //写入数据方向寄存器
    iowrite32(val,led_cdev->va_ddr);

    //读取数据寄存器
    val = ioread32(led_cdev->va_dr);
    //设置数据寄存器为pin位可写
    val |= ((unsigned int)0x1 << (led_cdev->led_pin+16));
   	//设置数据寄存器为pin位高电平
    val |= ((unsigned int)0x1 << (led_cdev->led_pin));
    //写入数据寄存器
    iowrite32(val, led_cdev->va_dr);

    return 0;
}

这部分代码位open_operations结构体的设置，其中container_of（）函数和寄存器设置部分需要联系前节4.2的介绍反复理解（笔者这里看了很久才顿悟）。

5. 实验效果

c 复制代码

#蓝灯亮
sudo sh -c 'echo 0 >/dev/led_chrdev0'
#蓝灯灭
sudo sh -c 'echo 1 >/dev/led_chrdev0'

需要源码可私聊笔者

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Linux驱动开发笔记（二） 基于字符设备驱动的I/O操作

文章目录

前言

一、设备驱动的作用与本质

1. 驱动的作用

2. 有无操作系统的区别

二、内存管理单元MMU

三、相关函数

1. ioremap( )

2. iounmap( )

3. class_create( )

4. class_destroy( )

四、GPIO的基本知识

1. GPIO的寄存器进行读写操作流程

2. 引脚复用

2. 定义GPIO寄存器物理地址

五、实验代码

1. 宏定义出需要的地址

2. 编写LED字符设备结构体且初始化

3. container_of( )函数

4. file_operations结构体成员函数的实现

5. 实验效果

Linux驱动开发笔记（二）基于字符设备驱动的I/O操作