Linux 驱动开发学习笔记：UART、触摸屏与 ADC 驱动实战

1. 引言

在嵌入式 Linux 开发中，字符设备驱动是最基础也最常用的驱动类型。UART、触摸屏和 ADC 三个外设虽然功能各异，但它们的驱动框架有着相似的脉络：设备树描述硬件、platform 驱动匹配、file_operations 提供用户态接口、中断或轮询处理数据。本文以这三类驱动为切入点，梳理 Linux 驱动开发的核心思路与实战要点。

2. 驱动开发基础准备

在动手编写驱动之前，需要先准备好开发环境并理解几个关键概念。

2.1 环境准备

开发板：推荐使用 i.MX6ULL、STM32MP157 等常见 Linux 开发板，它们对 UART、触摸屏和 ADC 都有完善的设备树支持。
交叉编译工具链：例如 arm-linux-gnueabihf-gcc，用于编译内核模块。
内核源码：需要与开发板运行的内核版本一致，并完成内核配置。
NFS 或 TFTP：用于将编译好的内核模块和应用程序下载到开发板。

2.2 字符设备驱动框架

字符设备驱动的核心结构包括：

file_operations：定义 open、read、write、ioctl 等操作函数。
cdev：字符设备对象，负责将设备与文件系统关联。
设备号：主设备号标识驱动类型，次设备号标识具体设备。
platform_driver：通过设备树匹配硬件资源。

一个典型的字符设备驱动注册流程如下：

c 复制代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

static int major = 0;
static struct cdev test_cdev;
static struct class *test_class;

static int test_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static ssize_t test_read(struct file *filp, char __user *buf,
                         size_t count, loff_t *off)
{
    return 0;
}

static struct file_operations test_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = test_open,
    .read = test_read,
};

static int __init test_init(void)
{
    dev_t devid;
    alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test");
    major = MAJOR(devid);
    cdev_init(&test_cdev, &test_fops);
    cdev_add(&test_cdev, devid, 1);
    test_class = class_create("test_class");
    device_create(test_class, NULL, devid, NULL, "test");
    return 0;
}

static void __exit test_exit(void)
{
    cdev_del(&test_cdev);
    unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);
    class_destroy(test_class);
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

3. UART 驱动学习笔记

UART（通用异步收发器）是嵌入式开发中最常用的串行通信接口，常用于调试串口、蓝牙模块、GPS 模块等设备通信。

3.1 UART 驱动框架

Linux 内核中，UART 驱动通常基于 tty 子系统实现。核心结构体是 uart_driver 和 uart_port，前者描述整个串口驱动，后者描述具体的串口端口。

UART 驱动的层次结构如下：

tty 核心层：负责与用户空间的交互，提供 read、write、ioctl 等接口。
uart 层：封装了串口驱动的通用逻辑，如波特率设置、数据格式配置。
具体硬件驱动层：实现底层的寄存器读写、中断处理。

3.2 设备树配置

在设备树中，UART 节点通常如下描述：

dts 复制代码

&uart3 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_uart3>;
    status = "okay";
};

其中 pinctrl 节点用于配置引脚复用功能，将 GPIO 复用为 UART 的 TX 和 RX 引脚。

3.3 关键数据结构

编写 UART 驱动时，需要重点理解以下结构体：

uart_driver：包含驱动名称、设备号、ops 等字段。
uart_port：描述端口的内存地址、中断号、波特率等。
uart_ops：定义 start_tx、stop_tx、startup、shutdown 等回调函数。

3.4 数据收发流程

UART 数据接收通常采用中断方式：当接收寄存器非空时触发中断，中断处理函数读取数据并放入接收缓冲区，然后唤醒等待数据的进程。数据发送则通过写发送寄存器触发，发送完成后产生发送完成中断。

一个简化的接收中断处理流程如下：

c 复制代码

static irqreturn_t uart_isr(int irq, void *dev_id)
{
    struct uart_port *port = dev_id;
    unsigned int status = readl(port->membase + UART_SR);
    if (status & UART_SR_RX_READY) {
        unsigned char ch = readl(port->membase + UART_RBR);
        // 将数据放入接收缓冲区
        tty_insert_flip_char(port, ch, TTY_NORMAL);
        tty_flip_buffer_push(port);
    }
    return IRQ_HANDLED;
}

3.5 应用层使用

用户态程序通过标准文件操作访问串口设备节点，例如 /dev/ttymxc3：

c 复制代码

int fd = open("/dev/ttymxc3", O_RDWR | O_NOCTTY);
struct termios opt;
tcgetattr(fd, &opt);
cfsetispeed(&opt, B115200);
cfsetospeed(&opt, B115200);
opt.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);
write(fd, "Hello UART", 10);

4. 触摸屏驱动学习笔记

触摸屏是嵌入式设备的重要人机交互接口。Linux 内核使用 input 子系统 来管理触摸屏等输入设备。

4.1 触摸屏驱动框架

触摸屏驱动主要分为两部分：

触摸屏控制器驱动：负责初始化硬件、读取触摸坐标、上报事件。
input 子系统：将触摸事件标准化为 input_event 结构，通过 /dev/input/eventX 提供给应用层。

4.2 设备树配置

以电阻式触摸屏为例，设备树节点通常包含以下信息：

dts 复制代码

&tsc {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_tsc>;
    interrupt-parent = <&gpio1>;
    interrupts = <13 IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>;
    touchscreen-max-x = <1024>;
    touchscreen-max-y = <600>;
    status = "okay";
};

4.3 核心数据结构

触摸屏驱动中最重要的结构体是 input_dev，它描述了一个输入设备的能力和事件类型。

c 复制代码

struct input_dev *input_dev;
input_dev = input_allocate_device();
input_dev->name = "touchscreen";
input_dev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) | BIT_MASK(EV_ABS);
input_dev->keybit[BIT_WORD(BTN_TOUCH)] = BIT_MASK(BTN_TOUCH);
input_set_abs_params(input_dev, ABS_X, 0, 1024, 0, 0);
input_set_abs_params(input_dev, ABS_Y, 0, 600, 0, 0);
input_register_device(input_dev);

4.4 触摸事件上报

当触摸屏检测到触摸时，驱动需要上报坐标和压力事件：

c 复制代码

input_report_key(input_dev, BTN_TOUCH, 1);
input_report_abs(input_dev, ABS_X, x);
input_report_abs(input_dev, ABS_Y, y);
input_sync(input_dev);

其中 input_sync 表示一次完整事件的结束，应用层通过读取 input_event 结构获取触摸数据。

4.5 应用层读取触摸数据

c 复制代码

int fd = open("/dev/input/event0", O_RDONLY);
struct input_event ev;
while (1) {
    read(fd, &ev, sizeof(ev));
    if (ev.type == EV_ABS) {
        if (ev.code == ABS_X) printf("X = %d\n", ev.value);
        if (ev.code == ABS_Y) printf("Y = %d\n", ev.value);
    }
}

5. ADC 驱动学习笔记

ADC（模数转换器）用于将模拟电压信号转换为数字量，常用于采集温度、光照、电池电压等传感器数据。

5.1 ADC 驱动框架

Linux 内核使用 IIO（Industrial I/O）子系统 来管理 ADC、DAC、传感器等设备。IIO 子系统提供了统一的用户态访问接口 /dev/iio:deviceX。

5.2 设备树配置

ADC 设备树节点通常包含通道信息：

dts 复制代码

&adc1 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_adc1>;
    vref-supply = <&reg_vref_3v3>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    channel@0 {
        reg = <0>;
        label = "adc_ch0";
    };
    status = "okay";
};

5.3 核心数据结构

IIO 驱动中，iio_dev 是核心结构体，它描述了 ADC 设备的通道、属性和回调函数。

c 复制代码

struct iio_dev *indio_dev;
indio_dev = iio_device_alloc(sizeof(struct adc_priv));
indio_dev->name = "myadc";
indio_dev->info = &adc_info;
indio_dev->channels = adc_channels;
indio_dev->num_channels = ARRAY_SIZE(adc_channels);
iio_device_register(indio_dev);

5.4 数据读取流程

ADC 数据读取通常通过 read_raw 回调实现，驱动在该函数中启动一次转换并读取结果：

c 复制代码

static int adc_read_raw(struct iio_dev *indio_dev,
                        struct iio_chan_spec const *chan,
                        int *val, int *val2, long mask)
{
    struct adc_priv *priv = iio_priv(indio_dev);
    unsigned int value;
    // 启动 ADC 转换
    writel(1, priv->base + ADC_CR);
    // 等待转换完成
    while (!(readl(priv->base + ADC_SR) & ADC_SR_EOC));
    value = readl(priv->base + ADC_DR) & 0xFFF;
    *val = value;
    return IIO_VAL_INT;
}

5.5 应用层读取 ADC 数据

用户态可以通过 sysfs 接口读取 ADC 原始值：

bash 复制代码

cat /sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage0_raw

也可以使用 C 程序读取：

c 复制代码

int fd = open("/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage0_raw", O_RDONLY);
char buf[16];
read(fd, buf, sizeof(buf));
int raw = atoi(buf);
float voltage = raw * 3.3f / 4096.0f;
printf("Voltage = %.2f V\n", voltage);

6. 三类驱动的对比与总结

通过以上学习，可以发现 UART、触摸屏和 ADC 驱动虽然面向不同的硬件，但整体框架高度相似。

对比项	UART 驱动	触摸屏驱动	ADC 驱动
子系统	tty 子系统	input 子系统	IIO 子系统
核心结构体	uart_driver / uart_port	input_dev	iio_dev
用户态接口	/dev/ttySX	/dev/input/eventX	/dev/iio:deviceX 或 sysfs
数据交互方式	中断 + 缓冲区	事件上报	轮询或触发转换
典型应用	调试串口、蓝牙模块	人机交互界面	传感器数据采集

学习这三类驱动，核心是掌握设备树描述硬件、platform 驱动匹配、子系统注册与回调实现这几个关键环节。建议读者在开发板上实际编译运行示例代码，通过阅读内核源码加深理解，逐步建立起 Linux 驱动开发的整体思维。