Linux驱动开发实战（一）：LED控制驱动详解

发布于：2025-02-28 ⋅ 阅读:(13) ⋅ 点赞:(0)

Linux驱动开发野火实战（一）：LED控制驱动详解

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引言

在Linux设备驱动开发中,字符设备驱动是最基础也是最常见的驱动类型。本文将从理论到实践,详细讲解字符设备驱动的开发流程,帮助读者掌握驱动开发的核心知识

一、基础知识

1.1 什么是字符设备驱动

字符设备(Character Device)是Linux中最基本的设备类型之一,它的特点是数据以字符流的方式被访问,像串口、键盘、LED等都属于字符设备。与块设备不同,字符设备不能随机访问,只能顺序读写。

1.2 重要的数据结构

在开发字符设备驱动之前,我们需要了解几个关键的数据结构:

struct file_operations {
    struct module *owner;
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    ...
};

这个结构体定义了驱动程序需要实现的接口函数。

read 函数

static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)

作用： 响应用户空间的读取请求
参数：

  • filp：文件结构体指针
  • buf：用户空间缓冲区指针
  • cnt：要读取的字节数
  • offt：文件位置指针
    返回值：
  • 成功返回实际读取的字节数
  • 失败返回负错误码
  • 使用场景：
  • 读取设备状态
  • 获取设备数据
  • 将数据从内核空间复制到用户空间

write 函数

static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)

作用： 响应用户空间的写入请求
参数：

  • filp：文件结构体指针
  • buf：用户空间数据缓冲区指针
  • cnt：要写入的字节数
  • offt：文件位置指针
    返回值：
  • 成功返回实际写入的字节数
  • 失败返回负错误码
    使用场景：
  • 向设备发送控制命令
  • 更新设备状态
  • 将数据从用户空间复制到内核空间

open 函数

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)

作用： 当用户空间调用 open() 打开设备文件时被调用
参数：

  • inode：包含文件系统信息的结构体，如设备号等
  • filp：文件结构体，包含文件操作方法、私有数据等
    返回值：
  • 成功返回0
  • 失败返回负错误码
    使用场景：
  • 初始化设备
  • 检查设备状态
  • 分配资源
  • 增加使用计数

release 函数

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)

作用： 当最后一个打开的文件被关闭时调用
参数：

  • inode：索引节点结构体指针
  • filp：文件结构体指针
    返回值：
  • 成功返回0
  • 失败返回负错误码
    使用场景：
  • 释放资源
  • 清理设备状态
  • 减少使用计数

二、 驱动程序实现

2.1 完整的驱动代码示例

代码如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define DEV_MAJOR 0		   /* 动态申请主设备号 */
#define DEV_NAME "red_led" /*led设备名字 */

/* GPIO虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO04;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO04;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

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

static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return -EFAULT;
}

static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{

	unsigned char databuf[10];

	if (cnt > 10)
		cnt = 10;

	/*从用户空间拷贝数据到内核空间*/
	if (copy_from_user(databuf, buf, cnt))
	{
		return -EIO;
	}

	if (!memcmp(databuf, "on", 2))
	{
		iowrite32(0 << 4, GPIO1_DR);
	}
	else if (!memcmp(databuf, "off", 3))
	{
		iowrite32(1 << 4, GPIO1_DR);
	}
	/*写成功后，返回写入的字数*/
	return cnt;
}

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

/* 自定义led的file_operations 接口*/
static struct file_operations led_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = led_release,
};

int major = 0;
static int __init led_init(void)
{

	/* GPIO相关寄存器映射 */
	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(0x20c406c, 4);
	SW_MUX_GPIO1_IO04 = ioremap(0x20e006c, 4);
	SW_PAD_GPIO1_IO04 = ioremap(0x20e02f8, 4);
	GPIO1_GDIR = ioremap(0x0209c004, 4);
	GPIO1_DR = ioremap(0x0209c000, 4);

	/* 使能GPIO1时钟 */
	iowrite32(0xffffffff, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 设置GPIO1_IO04复用为普通GPIO*/
	iowrite32(5, SW_MUX_GPIO1_IO04);

	/*设置GPIO属性*/
	iowrite32(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO04);

	/* 设置GPIO1_IO04为输出功能 */
	iowrite32(1 << 4, GPIO1_GDIR);

	/* LED输出高电平 */
	iowrite32(1 << 4, GPIO1_DR);

	/* 注册字符设备驱动 */
	major = register_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME, &led_fops);
	printk(KERN_ALERT "led major:%d\n", major);

	return 0;
}

static void __exit led_exit(void)
{
	/* 取消映射 */
	iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
	iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO04);
	iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO04);
	iounmap(GPIO1_DR);
	iounmap(GPIO1_GDIR);

	/* 注销字符设备驱动 */
	unregister_chrdev(major, DEV_NAME);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL2");
MODULE_AUTHOR("embedfire ");
MODULE_DESCRIPTION("led_module");
MODULE_ALIAS("led_module");

2.2 整体流程（图解）

在这里插入图片描述

2.3 用户空间与内核空间交互（图解）

在这里插入图片描述

2.4 驱动模块初始化

虚拟地址映射

  1. ioremap 函数
void __iomem *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);

作用： 将物理地址映射到虚拟地址空间
参数：

  • phys_addr：物理地址
  • size：映射的大小（字节数）
    返回值： 映射后的虚拟地址指针
  • void * 类型的指针，指向被映射的虚拟地址
  • __iomem 主要是用于编译器的检查地址在内核空间的有效性
    为什么要用： Linux内核出于安全考虑，不允许直接访问物理地址，必须先映射到虚拟地址

GPIO相关寄存器映射

	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(0x20c406c, 4);
	SW_MUX_GPIO1_IO04 = ioremap(0x20e006c, 4);
	SW_PAD_GPIO1_IO04 = ioremap(0x20e02f8, 4);
	GPIO1_GDIR = ioremap(0x0209c004, 4);
	GPIO1_DR = ioremap(0x0209c000, 4);
  1. 虚拟地址读写
void iowrite32(u32 b, void __iomem *addr)   //写入一个双字（32bit）

unsigned int ioread32(void __iomem *addr)   //读取一个双字（32bit）

/* 使能GPIO1时钟 */
	iowrite32(0xffffffff, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 设置GPIO1_IO04复用为普通GPIO*/
	iowrite32(5, SW_MUX_GPIO1_IO04);

	/*设置GPIO属性*/
	iowrite32(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO04);

	/* 设置GPIO1_IO04为输出功能 */
	iowrite32(1 << 4, GPIO1_GDIR);

	/* LED输出高电平 */
	iowrite32(1 << 4, GPIO1_DR);
  1. register_chrdev 函数
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops);

作用： 注册字符设备驱动
参数：

major：主设备号（0表示动态分配）
name：设备名称
fops：文件操作结构体
次设备号为0，次设备号数量为256
返回值： 成功返回主设备号，失败返回负值
为什么要用： 向Linux系统注册一个字符设备，使系统能够识别和管理该设备

在这里插入图片描述

2.5 拷贝数据

copy_from_user函数

unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n);

作用： 将数据从用户空间复制到内核空间
参数：

  • to：内核空间目标地址
  • from：用户空间源地址
  • n：复制的字节数
    返回值： 成功返回0，失败返回未复制的字节数
    为什么要用： 内核空间和用户空间是隔离的，需要专门的函数来安全地传输数据,要是有野指针会导致整个系统的崩溃，所以是起到一个安全的作用。

2.6 控制GPIO输出的LED开关状态

if (!memcmp(databuf, "on", 2))  // 比较是否接收到"on"命令
{
    iowrite32(0 << 4, GPIO1_DR); // GPIO1_4输出低电平，LED亮
}
else if (!memcmp(databuf, "off", 3)) // 比较是否接收到"off"命令
{
    iowrite32(1 << 4, GPIO1_DR); // GPIO1_4输出高电平，LED灭
}
  • memcmp()函数：
int memcmp(const void *str1, const void *str2, size_t n)
// 比较两个内存区域的前n个字节
// 返回0表示相等

2.7 LED驱动程序的退出函数

static void __exit led_exit(void)
{
    // 1. 取消IO内存映射
    iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
    iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO04);
    iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO04);
    iounmap(GPIO1_DR);
    iounmap(GPIO1_GDIR);

    // 2. 注销字符设备
    unregister_chrdev(major, DEV_NAME);
}
  • iounmap 函数
void iounmap(void __iomem *addr);

作用： 解除I/O内存映射
参数：

addr： 要解除映射的虚拟地址
为什么要用： 释放ioremap占用的资源，防止内存泄漏

  • unregister_chrdev 函数
void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);

作用： 注销字符设备驱动
参数：

major：设备的主设备号
name：设备名称
为什么要用： 在驱动卸载时清理系统资源

三、实验过程

项目编译

在这里插入图片描述
然后make
在这里插入图片描述

连接开发板

打开手机热点并连上
让电脑跟手机在同一个局域网内

  • ubuntu端
    在这里插入图片描述

  • 开发板端
    在这里插入图片描述

挂载NFS文件系统

sudo mount -t nfs ”NFS服务端IP”:/home/embedfire/workdir /mnt

我们ubuntu的IP为192.168.46.118
所以为

sudo mount -t nfs 192.168.46.118:/home/embedfire/workdir /mnt

在这里插入图片描述
挂载成功后进入共享文件夹查看

ubuntu把ko文件复制到共享文件夹中
在这里插入图片描述

我们到共享文件夹ls查看
在这里插入图片描述

加载驱动（点灯！）

在这里插入图片描述
244是设备号（动态分配）
0是次设备号
为什么是0
因为在register_chrdev函数定义了
次设备号在（0~256之间随便选）
ebf-buster-linux/include/linux/fs.h

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
				  const struct file_operations *fops)
{
	return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops);
}

创建设备文件
在这里插入图片描述
利用echo应用打开灯的命令
在这里插入图片描述
请添加图片描述

利用echo应用关灯的命令
在这里插入图片描述
卸载模块
在这里插入图片描述

总结

本文详细介绍了Linux字符设备驱动的开发流程，包括：

  • 基本概念和原理
  • 完整的代码实现
  • 详细的流程图解
  • 实际操作
    通过本文的学习，大家应该能够掌握字符设备驱动的开发方法，并能够开发简单的字符设备驱动程序。

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