＜Linux开发＞–驱动开发-- 字符设备驱动（2） 过程详细记录

作者之前讲解记录了系统移植部分内容，包括uboot、Linux和设备树、以及根文件系统这三个方面，接下来的将进入设备驱动部分的开发过程记录了。

系统移植部分可参考以下链接：

uboot移植可参考以下：
＜Linux开发＞ -之-系统移植 uboot移植过程详细记录（第一部分）
＜Linux开发＞ -之-系统移植 uboot移植过程详细记录（第二部分）
＜Linux开发＞ -之-系统移植 uboot移植过程详细记录（第三部分）(uboot移植完结)

Linux内核及设备树移植可参考以下：
＜Linux开发＞系统移植 -之- linux内核移植过程详细记录（第一部分）
＜Linux开发＞系统移植 -之- linux内核移植过程详细记录（第二部分完结）

跟文件系统移植可参考以下：
＜Linux开发＞系统移植 -之- linux构建BusyBox根文件系统及移植过程详细记录

其它各驱动可到博主主页查看，由于后续会有越来越多的篇幅，就不一一列举链接到文章中了。

实验过程记录如下：

一、编程环境准备
1、安装虚拟机ubuntu，以及交叉工具链，这个在讲解系统移植部分也有说到，是必须的；
2、内核源码，这个也是系统移植中用到的内核源码，编译驱动时使用的内核源码，要与开发板运行的内核源码保存同一个版本；
3、编程软件VScode；
4、安装交叉工具链；

二、具体编程过程
1、vscode工程创建准备
（1）创建存放源码工程的目录，例如下图作者创建的文件夹；

（2）使用vscode在2-led文件夹内创建工程，并新建led.c和ledApp.c文件
（3）添加头文件路径
因为是编写Linux驱动，因此会用到Linux源码中的函数。我们需要在VSCode中添加Linux源码中的头文件路径。打开VSCode，按下“Crtl+Shift+P”打开VSCode的控制台，然后输入“C/C++: Edit configurations(JSON) ”，打开C/C++编辑配置文件，如下图所示：

打开以后会自动在.vscode目录下生成一个名为c_cpp_properties.json的文件，此文件修改后内容如下所示：

第7~9行就是添加好的Linux头文件路径。分别是开发板所使用的Linux源码下的include、arch/arm/include和arch/arm/include/generated这三个目录的路径，注意，这里使用了绝对路径。主要时添加绿色框内的内容，即是内核源码的路径，红色框则是源码的存放目录（根据读者自己实际存放的位置填写），后面紧接着的内容，都是一样的了。

（4）修改Linux内核源码顶层Makefile文件（作者也是开发时才踩这个坑的），谨记、除非系统移植的时候已经修改了。具体如下图所示：

用vscode打开内核源码的顶层目录，然后找到Makefile,在里面找到“ARCH”和“CROSS_COMPILE”这两个变量，更改后变成“ARCH ?= arm”和 “CROSS_COMPILE ?= arm-linux-gnueabihf-” ，注意行的末尾不能有空格，否则编译会出错。第一个是编译的对象，第二个是编译的工具链前缀。

2、在led.c中编写字符驱动源码，函数的作用说明，都在源码注释上说明，内容如下：

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/io.h>

/*************************************************************** 
 * Copyright © onefu Co., Ltd. 2019-2021. All rights reserved. 
 * 文件名 : led.c 
 * 作者 : water 
 * 版本 : V1.0 
 * 描述 : led 驱动文件。 
 * 其他 : 无  
 * 日志 : 初版V1.0 2021/10/27 water创建 
 * ***************************************************************/ 

#define     LED_MAJOR   200     /*主设备号*/
#define     LED_NAME    "led"   /*设备名字*/

#define     LEDOFF      0       /*关灯*/
#define     LEDON       1       /*开灯*/

/*寄存器物理地址 宏定义*/
#define CCM_CCGR1_BASE                      (0X020C406C)
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE              (0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE              (0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE                       (0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE                     (0X0209C004)
/*映射后的寄存器虚拟地址指针*/
static  void    __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static  void    __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static  void    __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static  void    __iomem *GPIO1_DR;
static  void    __iomem *GPIO1_GDIR;

/*  
* @description : 打开/关闭  led 
* @param – sta :  LEDON(0) 打开 LED，LEDOFF(1) 关闭 LED
* @return : 无
*/
void led_switch(u8  sta)
{
    u32 val = 0;

    if(sta == LEDON){               /* 判断控制传入的状态  如果表示 开*/
        val = readl(GPIO1_DR);      /* 读取GPIO1组的DR寄存器，即GPIO1组的所有 IO 的状态*/
        val &= ~(1<<3);             /* 只对第三位进行清零操作 保持其他位不变*/
        writel(val, GPIO1_DR);      /*  将更改后的GPIO1组的DR寄存器值，写回到DR寄存器*/
    }else if(sta == LEDOFF){        /* 判断控制传入的状态  如果表示 关*/
        val = readl(GPIO1_DR);      /* 读取GPIO1组的DR寄存器，即GPIO1组的所有 IO 的状态*/
        val |= (1<<3);              /* 只对第三位进行置1操作 保持其他位不变*/
        writel(val, GPIO1_DR);      /*  将更改后的GPIO1组的DR寄存器值，写回到DR寄存器*/
    }
}

/*  
* @description : 打开设备 
* @param – inode : 传递给驱动的inode 
* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量 
* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。 
* @return : 0 成功;其他 失败 
*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filep)
{
    printk("led open!\r\n");  /*终端输出提示*/
    return 0;
}

/* 
 *@description : 从设备读取数据 
 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符) 
 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区 
 * @param - cnt : 要读取的数据长度 
 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移 
 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败 
 */
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    printk("led read !\r\n");          /*终端输出提示*/
    return 0;
}

/* 
 @description : 向设备写数据 
 @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符 
 @param - buf : 要写给设备写入的数据 
 @param - cnt : 要写入的数据长度 
 @param - offt : 相对于文件首地址的偏移 
 @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败 
 */ 
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    int retvalue = 0;
    unsigned char databuf[1];
    unsigned char ledstat;

    retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);/*接收用户空间传递给内核的数据*/
    if(retvalue < 0){
        printk("kernel write failed! \r\n");    /*终端输出提示*/
        return -EFAULT;                         /*返回错误*/
    }

    ledstat = databuf[0];                       /*将读取到的数据 赋值给状态变量*/
    if(ledstat == LEDON){                       /*判断状态变量 为 开灯*/
        led_switch(LEDON);                      /*开灯*/
    }else if(ledstat == LEDOFF){                /*判断状态变量 为 关灯*/
        led_switch(LEDOFF);                     /*关灯*/
    }

    return 0;
}

/* 
 *@description : 关闭/释放设备 
 *@param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符) 
 *@return : 0 成功;其他 失败 
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk("led release ! \r\n");
    return 0;
}

/* 
 *设备操作函数结构体 
 */ 
static struct file_operations led_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = led_open,
    .read  = led_read,
    .write = led_write,
    .release = led_release,
};

/* 
*@description : 驱动入口函数 
*@param : 无 
*@return : 0 成功;其他 失败 
*/
static int __init led_init(void)
{
    int retvalue = 0;
    u32 val = 0;

    /*以下开始 初始化LED的GPIO引脚*/
    
    /* 1、寄存器地址映射 */
    IMX6U_CCM_CCGR1     = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
    SW_MUX_GPIO1_IO03   = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
    SW_PAD_GPIO1_IO03   = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
    GPIO1_DR            = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
    GPIO1_GDIR          = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);

    /* 2、使能GPIO1时钟 */
    val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);   /*将CCGR1 寄存器的值读取出来*/
    val &= ~(3 << 26);              /*清除旧的设置位*/
    val |=  (3 << 26);              /*设置新位值*/
    writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);   /*写入CCGR1 寄存器的值*/

    /* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为GPIO1_IO03，最后设置IO属性  */
    writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);   
    /* 配置 GPIO1_IO03 的 IO 属性
        *bit 16:0 HYS 关闭
        *bit [15:14]: 00 默认下拉
        *bit [13]: 0 kepper 功能
        *bit [12]: 1 pull/keeper 使能
        *bit [11]: 0 关闭开路输出
        *bit [11]: 0 关闭开路输出
        *bit [5:3]: 110 R0/6 驱动能力
        *bit [0]: 0 低转换率
    */
    writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);  /* 寄存器 SW_PAD_GPIO1_IO03 设置 IO 属性 */

    /* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
    val = readl(GPIO1_GDIR);   /*将GPIO1_GDIR 寄存器的值读取出来*/
    val &= ~(1 << 3);              /*清除旧的设置位*/
    val |=  (1 << 3);              /*设置新位值*/
    writel(val, GPIO1_GDIR);   /*写入GPIO1_GDIR 寄存器的值*/

    /* 5默认关闭LED */
    val = readl(GPIO1_DR);   /*将GPIO1_DR 寄存器的值读取出来*/
    val |=  (1 << 3);              /*设置新位值*/
    writel(val, GPIO1_DR);   /*写入GPIO1_DR 寄存器的值*/


    /* 6、注册字符设备驱动*/
    retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
    if(retvalue < 0){
        printk("led driver register failed !\r\n");
        return -EIO;
    }
    printk("led_init()");
    return 0;
}

/*
* @description : 驱动出口函数 
* @param : 无 
* @return : 无 
*/
static void __exit led_exit(void)
{
    /*注销字符设备驱动*/
    unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
    printk("led_exit()\r\n");

}

/*将上面两个函数指定为驱动入口 和 出口 函数*/
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

/*LICENSE 和 作者信息  模块描述信息 设备支持信息*/
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("water");
MODULE_DESCRIPTION ("OnFu This is a LED ");
MODULE_SUPPORTED_DEVICE ("OneFu LED Device");

3、在ledApp.c文件中编写测试软件代码，代码内容如下：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

/*************************************************************** 
 * Copyright © onefu Co., Ltd. 2019-2021. All rights reserved. 
 * 文件名 : ledApp.c 
 * 作者 : water 
 * 版本 : V1.0 
 * 描述 : led 驱测试APP。 
 * 其他 : 使用方法：./ledApp /dev/led <1>|<2>
 *                argv[2] 0:关闭LED
 *                argv[2] 1:打开LED
 * 日志 : 初版V1.0 2021/10/27 water创建 
 * ***************************************************************/ 

#define LEDOFF 0
#define LEDON  1

/* 
* @description : main主程序 
* @param - argc : argv数组元素个数 
* @param - argv : 具体参数 
* @return : 0 成功;其他 失败 
*/ 
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, retvalue;               //fd: 文件描述符 用以对文件操作    retvalue:存放函数操作后的返回值
    char *filename;                 //filename：文件名，有主函数参数传入赋值
    unsigned char databuf[1];       //定义的buf，用来读写数据用 

    if(argc != 3){                  //判断主函数传入的函数的参数的个数
        printf("Error Usage!\r\n");
        return -1;
    }

    filename = argv[1];              //获取第1个参数，存放的是文件的路径（即要操作的设备文件路径）
    
    fd = open(filename,O_RDWR);                         /*打开驱动文件*/
    if(fd < 0){
        printf("Can't open file %s\r\n",filename);      /*打开失败，输出提示*/
        return -1;
    }

    databuf[0] = atoi(argv[2]);                         /* 要执行的操作：打开或关闭 */

    retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));     /*向设备驱动写入数据*/
    if(retvalue < 0){
        printf("LED Control Failed!\r\n",filename);     /*写入错误输出提示*/
    }

    retvalue = close(fd);                               /*关闭文件*/
    if(retvalue < 0){
        printf("Can't close file %s\r\n",filename);     /*关闭错误输出提示*/
        return -1;
    }

    return 0;
}

三、编译
1、驱动编译
在led.c文件的同级目录下创建一个Makefile文件，输入以下内容：

KERNELDIR := /home/water/water/kernel/linux-imx-onefu-20211024
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := led.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

# KERNELDIR表示开发板所使用的Linux内核源码目录，使用绝对路径
# CURRENT_PATH表示当前路径，直接通过运行“pwd”命令来获取当前所处路径。
# obj-m表示将chrdevbase.c这个文件编译为chrdevbase.ko模块

# 具体的编译命令，后面的modules表示编译模块，
#-C表示将当前的工作目录切换到指定目录中，
#也就是KERNERLDIR目录。M表示模块源码目录，
#“make modules”命令中加入M=dir以后程序会自动到指定的dir目录中读取模块的源码并将其编译为.ko文件
#
#

第一行是内核源码的绝对路径，读者根据自己的实际路径修改即可，第三行的obj-m表示将lede.c这个文件编译为led.ko模块，就是对应的其余基本和上述一致即可。

编写完，保存，然后在终端输入:make ,进行编译驱动即可，编译结果如下图：

上图用的是vscode自带的终端编译，也可通过ubuntu的终端进入到对应的目录下输入make命令进行编译，编译成功后，当前目录下生成“led.ko”和其它一些文件，用的驱动文件就是这个“.ko”文件，其余不管。

2、测试APP编译
同样在vscode打开的终端输入：arm-linux-gnueabihf-gcc led.c -o ledApp ，对测试APP进行编译。然后会生成ledApp这个可执行文件，可通过“file ledApp”，这个命令查看文件信息，如下图：

四、运行测试
1、将驱动文件“led.ko” 和测试程序“ledApp”，拷贝到根文件系统（作者使用的是nfs挂载根文件系统的形式，详细可参考系统移植部分）的“lib/modules/4.1.15”目录下，如果不存在则创建目录，目录“4.1.15“主要是用来区别不同内核版本。拷贝后的目录下有下图红色框的这两个文件。

2、将开发板串口链接电脑，打开CRT，然后打开电源，当进入倒计时时按下回车，让开发板运行在uboot状态下，在这个状态下主要时配置以下环境变量，具体如下：

//设置bootcmd 
setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage; tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz 80800000 - 83000000' 
//设置bootargs
setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.144:/home/water/linux/nfs/onefu-rootfs,proto=tcp rw ip=192.168.1.145:192.168.1.144:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off' 
saveenv //保存环境变量
boot //启动

第2行：setenv bootcmd： 表示设置 环境变量中的 bootcmd 的值；
tftp 80800000 zImage：标志通过ftfp的形式从服务器下载zImage文件到 地址80800000；
tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb：同上一样；
bootz 80800000 - 83000000：设置boot启动的内核地址和设备地址。
第4行：setenv bootargs ： 表示设置 环境变量中的 bootargs 的值；
console=ttymxc0,115200 ：设置终端 和波特率；
root=/dev/nfs：设置root的启动目录是/dev/nfs；
nfsroot=192.168.1.144:/home/water/linux/nfs/onefu-rootfs：从服务器IP为192.168.1.144的对应目录；
proto=tcp ：设置通信的方式 TCP；
rw ：标识读写功能
ip=192.168.1.145:192.168.1.144:192.168.1.1:255.255.255.0：分别是，弟弟开发板IP。服务器IP，网关，掩码；
第5行： saveenv ：保存设置的花鸟卷变量
第6行：boot:运行进入Linux。

3、进入Linux后，进入目录”/lib/modules/4.1.15“，然后用命令”ls“ 查看文件；

4、挂载驱动
输入如下命令加载led.ko驱动文件：

//先执行命令
depmod 
//在执行
modprobe led.ko

挂载成功会输出” led_init()“，如下图：

可使用”lsmod“查看，如下图：

可使用cat命令查看设备，如下图：

5、创建设备节点
驱动加载成功需要在/dev目录下创建一个与之对应的设备节点文件，应用程序就是通过操作这个设备节点文件来完成对具体设备的操作。输入如下命令创建/dev/chrdevbase这个设备节点文件：

mknod /dev/led c 200 0

可以使用“ls /dev/led -l”命令查看，结果如下图所示：

6、运行验证
首先进行打开LED，输入如下命令：

./ledApp /dev/led 1 

结果如下图：

上图可看出，运行后打开LED输出提示。

接下来测试对led设备进行关闭操作，输入如下命令：

./ledeApp /dev/led 0

结果如下图：

通过上面两个命令可对LED灯进行开关控制，读者自行测试验证，笔者的操作成功运行。

7、卸载驱动模块
输入如下命令卸载驱动模块：

rmmod led.ko

通过”lsmod“命令查看模块是否还在，如下图：

有上图可看出，模块已经卸载完成。

至此，字符设备驱动的LED驱动开发过程，如上所记录。

如有不足之处还望指点，欢迎交流，共同学习。
联系方式QQ：759521350