Linux 驱动开发：基于 platform 总线 + misc 设备的 DS18B20 单总线温度驱动

DS18B20 是一款经典的数字温度传感器，采用 1-Wire 单总线协议 ，只需要一根数据线就可以完成通信。

这篇博客通过一个 DS18B20 驱动示例，把 platform 总线、misc 设备、GPIO 子系统、单总线时序、字符设备驱动框架 串起来。

一、DS18B20 与单总线协议

DS18B20 使用单总线通信，主机和从机共用一根数据线。通信前需要先复位，再检测从机是否存在，最后发送命令并读取数据。

常见读取流程如下：

1. 主机发送复位脉冲；
2. 从机返回存在脉冲；
3. 主机发送 0xCC，跳过 ROM 匹配；
4. 主机发送 0x44，启动温度转换；
5. 等待温度转换完成；
6. 再次复位；
7. 发送 0xCC；
8. 发送 0xBE，读取暂存器；
9. 读取温度低字节和高字节；
10. 组合成 16 位温度值返回用户空间。

这段驱动就是用 GPIO 模拟单总线时序，完成上述流程。

二、驱动整体框架

这个驱动属于 platform 驱动 + misc 字符设备驱动。

整体结构可以分成三层：

层次	作用	对应代码
platform 驱动层	负责设备匹配、资源获取、硬件初始化	ds18b20_drv、ds18b20_probe
字符设备层	向用户空间提供 read 接口	ds18b20_misc、ds18b20_read
协议层	模拟 DS18B20 单总线时序	master_send_reset、master_recv_respone、master_send_byte、master_recv_byte

驱动加载时，module_platform_driver(ds18b20_drv) 会把驱动注册到 platform 总线上。

当设备树中节点的 compatible 与驱动里的 of_match_table 匹配成功后，内核会调用 ds18b20_probe。

三、probe 函数分析

ds18b20_probe 主要做了三件事：

1. 注册 misc 设备；

2. 从设备树获取 DS18B20 使用的 GPIO；

3. 申请 GPIO 并配置为输出模式。

   static int ds18b20_probe(struct platform_device *pdevice)
   {
   int ret = 0;

    ret = misc_register(&ds18b20_misc);
    if (ret) {
        pr_info("misc_register failed\n");
        return -1;
    }
   
    ds18b20gpiono = of_get_named_gpio(pdevice->dev.of_node, "gpio-ds18b20", 0);
    if (ds18b20gpiono < 0) {
        pr_info("of_get_named_gpio failed\n");
        return -1;
    }
   
    ret = devm_gpio_request(ds18b20_misc.this_device, ds18b20gpiono, "ds18b20-drv");
    if (ret) {
        pr_info("devm_gpio_request failed\n");
        return -1;
    }
   
    gpio_direction_output(ds18b20gpiono, 1);
   
    spin_lock_init(&lock);
   
    return 0;

   }

这里使用了 misc_register，所以驱动加载成功后会生成类似 /dev/ds18b20_misc 的设备节点，用户空间可以直接通过 read 读取温度。

四、单总线时序实现

1. 复位与应答

master_send_reset 负责发送复位脉冲：

void master_send_reset(void)
{
    gpio_set_value(ds18b20gpiono, 0);
    udelay(480);
    gpio_set_value(ds18b20gpiono, 1);
}

master_recv_respone 负责检测从机是否存在：

int master_recv_respone(void)
{
    int timeout = 0;

    gpio_direction_input(ds18b20gpiono);
    while (timeout < 50 && gpio_get_value(ds18b20gpiono)) {
        udelay(10);
        timeout++;
    }

    if (timeout >= 50)
        return -1;

    while (!gpio_get_value(ds18b20gpiono));

    gpio_direction_output(ds18b20gpiono, 1);

    return 0;
}

这段代码通过切换 GPIO 输入/输出方向，模拟单总线的复位和存在脉冲检测。

2. 写一个字节

static void master_send_byte(unsigned char tmpbyte)
{
    int i = 0;
    unsigned char flag = 0x01;

    gpio_direction_output(ds18b20gpiono, 1);

    for (i = 0; i < 8; i++, flag <<= 1) {
        gpio_set_value(ds18b20gpiono, 0);
        udelay(5);

        if (tmpbyte & flag) {
            gpio_set_value(ds18b20gpiono, 1);
        }

        udelay(55);
        gpio_set_value(ds18b20gpiono, 1);
        udelay(5);
    }
}

这里按照单总线写时序，逐位发送数据。

3. 读一个字节

static unsigned char master_recv_byte(void)
{
    int i = 0;
    unsigned char tmpbyte = 0x00;

    for (i = 0; i < 8; i++) {
        gpio_direction_output(ds18b20gpiono, 1);
        gpio_set_value(ds18b20gpiono, 0);
        udelay(3);
        gpio_set_value(ds18b20gpiono, 1);
        gpio_direction_input(ds18b20gpiono);
        udelay(8);
        if (gpio_get_value(ds18b20gpiono))
            tmpbyte |= (0x1 << i);
        gpio_direction_output(ds18b20gpiono, 1);
        udelay(50);
    }

    return tmpbyte;
}

读时序需要先拉低总线，再释放总线，然后在合适的时间窗口采样电平。

五、read 函数分析

ds18b20_read 完成一次完整的温度读取：

static ssize_t ds18b20_read(struct file *fp, char __user *puser, size_t n, loff_t *off)
{
    int ret = 0;
    unsigned char TH = 0;
    unsigned char TL = 0;
    short temp = 0;
    unsigned long nret = 0;
    unsigned long flags = 0;

    master_send_reset();

    spin_lock_irqsave(&lock, flags);
    ret = master_recv_respone();
    if (ret) {
        pr_info("master_recv_respone failed\n");
        return -1;
    }
    master_send_byte(0xCC);
    master_send_byte(0x44);
    spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);

    msleep(500);

    master_send_reset();
    spin_lock_irqsave(&lock, flags);
    ret = master_recv_respone();
    if (ret) {
        pr_info("master_recv_respone failed\n");
        return -1;
    }
    master_send_byte(0xCC);
    master_send_byte(0xBE);
    TL = master_recv_byte();
    TH = master_recv_byte();
    spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);

    temp = (TH << 8 | TL);

    nret = copy_to_user(puser, &temp, sizeof(temp));
    if (nret) {
        pr_info("copy_to_user failed\n");
        return -1;
    }

    return sizeof(temp);
}

流程是：

1. 复位；
2. 检测应答；
3. 发送 0xCC 跳过 ROM；
4. 发送 0x44 启动转换；
5. 等待 500ms；
6. 再次复位；
7. 发送 0xBE 读取暂存器；
8. 读取 TL、TH；
9. 组合温度值；
10. 通过 copy_to_user 返回给用户空间。

六、platform 驱动注册

驱动通过 platform_driver 注册到 platform 总线：

static struct platform_device_id ds18b20_id_tables[] = {
    {.name = "puteds18b20"},
    {},
};

static struct of_device_id ds18b20_of_match_tables[] = {
    {.compatible = "pute,puteds18b20"},
    {},
};

static struct platform_driver ds18b20_drv = {
    .driver = {
        .name = "puteds18b20",
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = ds18b20_of_match_tables,
    },
    .probe = ds18b20_probe,
    .remove = ds18b20_remove,
    .id_table = ds18b20_id_tables,
};

module_platform_driver(ds18b20_drv);
MODULE_LICENSE("GPL");

设备树中需要配置对应节点，例如：

ds18b20 {
    compatible = "pute,puteds18b20";
    gpio-ds18b20 = <&gpioX Y GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_ds18b20>;
    status = "okay";
};

其中 pinctrl 负责引脚复用配置，gpio-ds18b20 指定 DS18B20 使用的 GPIO。

七、可以改进的地方

这段代码已经能体现 DS18B20 驱动的基本思路，但如果是正式项目或秋招面试，还可以进一步优化。

1. 资源释放顺序

当前 remove 只调用了 misc_deregister，没有释放 GPIO。

更合理的做法是在 probe 失败或 remove 中反向释放资源。

2. GPIO 管理方式

代码中使用了 of_get_named_gpio 和 devm_gpio_request。

更现代的方式是使用 GPIO 描述符接口，例如 devm_gpiod_get。

3. 并发保护

驱动使用 spinlock 保护单总线时序，这点是合理的，因为 DS18B20 时序对时间比较敏感。

但 msleep(500) 放在 spin_lock_irqsave 之外是正确的，否则会导致长时间关中断。

4. 温度数据解析

当前直接把 TH << 8 | TL 返回给用户空间，用户还需要自行解析正负温度和分辨率。

更完善的实现应该在驱动中完成温度转换，返回摄氏度或毫摄氏度。

5. 生产环境建议

Linux 内核本身已经提供了 drivers/w1/ 子系统和 w1_therm 驱动，可以支持 DS18B20。

实际项目中，如果硬件平台支持 1-Wire 总线，更推荐直接使用内核自带子系统，而不是手写 GPIO 模拟。

手写 GPIO 模拟更适合学习单总线协议、platform 驱动和字符设备框架。

八、总结

这个 DS18B20 驱动虽然不大，但涉及很多 Linux 驱动基础知识点：

• platform_driver 负责设备匹配；
• probe 负责初始化硬件；
• misc_register 提供用户空间接口；
• GPIO 子系统控制引脚电平；
• udelay/msleep 配合单总线时序；
• copy_to_user 完成内核态到用户态的数据传递。

它很适合用来理解：驱动层如何把硬件协议、内核框架和用户空间接口串起来。

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