哈嘍，我是老吳。

非常懷念寫文章的感覺(jué)。

昨晚復(fù)習(xí)了一些 Linux 驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)，給大家分享一下吧。

先說(shuō)結(jié)論：

多年來(lái)，我接觸到的 Linux 驅(qū)動(dòng)教程大多都是從 0 編寫，這樣對(duì)初學(xué)者而言最大的好處，就是可以接觸到比較多的底層原理。

但是在真正的工作場(chǎng)景里，其實(shí)是應(yīng)該盡量避免從 0 構(gòu)建自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的。

更好的做法是在高度模塊化的驅(qū)動(dòng)框架里添加自己的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

這樣做的好處是最大程度地復(fù)用內(nèi)核現(xiàn)有的代碼，同時(shí)獲得極大的彈性和可維護(hù)性，并且為應(yīng)用程序提供出統(tǒng)一的訪問(wèn)接口。

下面詳細(xì)地說(shuō)說(shuō)。

什么是設(shè)備驅(qū)動(dòng)？

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 (device driver) 是對(duì)硬件的抽象:

提供基礎(chǔ)框架來(lái)編寫和運(yùn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核責(zé)任的一部分。

盡管可以在用戶空間中運(yùn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（通過(guò)一些內(nèi)核接口，如 UIO 或 I2CDEV），更常見(jiàn)的情況是讓它們?cè)趦?nèi)核空間中運(yùn)行。

以字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)為例：

字符設(shè)備 (char device) 是一種最常見(jiàn)的硬件抽象。

/dev 目錄下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件就是內(nèi)核導(dǎo)出給用戶空間的訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件中有三個(gè)基本信息：

• Type，用于標(biāo)識(shí)是 block 還是 char device;

• Major number，用于標(biāo)志是那一類 char deivce;

• Minor number，用于標(biāo)志是哪一個(gè) char device;

編寫字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的流程：

1、分配設(shè)備號(hào)，這通過(guò) register_chrdev_region() 或 alloc_chrdev_region() 來(lái)完成;

2、實(shí)現(xiàn)文件操作（open、read、write、ioctl）等。

3、使用 cdev_init() 和 cdev_add() 向內(nèi)核中注冊(cè)字符設(shè)備。

以 LED 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)為例

如果按照從 0 構(gòu)建的思路編寫驅(qū)動(dòng)的話，偽代碼如下：

硬件訪問(wèn)相關(guān)：

staticstruct{
dev_tdevnum;
structcdevcdev;
unsignedintled_status;
void__iomem*regbase;
}drvled_data;

staticvoiddrvled_setled(unsignedintstatus)
{
u32val;

/*setvalue*/
val=readl(drvled_data.regbase+GPIO1_REG_DATA);
if(status==LED_ON)
val|=GPIO_BIT;
elseif(status==LED_OFF)
val&=~GPIO_BIT;
writel(val,drvled_data.regbase+GPIO1_REG_DATA);

/*updatestatus*/
drvled_data.led_status=status;
}

staticvoiddrvled_setdirection(void)
{
...
}

文件操作相關(guān)：

staticssize_tdrvled_read(structfile*file,char__user*buf,
size_tcount,loff_t*ppos)
{
...
}

staticssize_tdrvled_write(structfile*file,constchar__user*buf,
size_tcount,loff_t*ppos)
{
charkbuf=0;

if(copy_from_user(&kbuf,buf,1))
return-EFAULT;

if(kbuf=='1'){
drvled_setled(LED_ON);
pr_info("LEDON!
");
}elseif(kbuf=='0'){
drvled_setled(LED_OFF);
pr_info("LEDOFF!
");
}

returncount;
}

staticconststructfile_operationsdrvled_fops={
.owner=THIS_MODULE,
.write=drvled_write,
.read=drvled_read,
};

注冊(cè)和卸載字符設(shè)備相關(guān)：

staticint__initdrvled_init(void)
{
intresult=0;

if(!request_mem_region(GPIO1_BASE,GPIO1_SIZE,DRIVER_NAME)){
pr_err("%s:ErrorrequestingI/O!
",DRIVER_NAME);
result=-EBUSY;
gotoret_err_request_mem_region;
}

drvled_data.regbase=ioremap(GPIO1_BASE,GPIO1_SIZE);
if(!drvled_data.regbase){
pr_err("%s:ErrormappingI/O!
",DRIVER_NAME);
result=-ENOMEM;
gotoerr_ioremap;
}

result=alloc_chrdev_region(&drvled_data.devnum,0,1,DRIVER_NAME);
if(result){
pr_err("%s:Failedtoallocatedevicenumber!
",DRIVER_NAME);
gotoret_err_alloc_chrdev_region;
}

cdev_init(&drvled_data.cdev,&drvled_fops);

result=cdev_add(&drvled_data.cdev,drvled_data.devnum,1);
if(result){
pr_err("%s:Chardeviceregistrationfailed!
",DRIVER_NAME);
gotoret_err_cdev_add;
}

drvled_setdirection();

drvled_setled(LED_OFF);

pr_info("%s:initialized.
",DRIVER_NAME);
gotoret_ok;

ret_err_cdev_add:
unregister_chrdev_region(drvled_data.devnum,1);
ret_err_alloc_chrdev_region:
iounmap(drvled_data.regbase);
err_ioremap:
release_mem_region(GPIO1_BASE,GPIO1_SIZE);
ret_err_request_mem_region:
ret_ok:
returnresult;
}

staticvoid__exitdrvled_exit(void)
{
...
}

module_init(drvled_init);
module_exit(drvled_exit);

運(yùn)行效果：

$installledrv.ko
$ls/dev/led
#燈亮
$echo1>/dev/led
#燈滅
$echo1>/dev/led

三個(gè)問(wèn)題

單從功能的角度看，上面的程序完全滿足控制一個(gè) LED 的需求。

但是，它不是一個(gè)好的驅(qū)動(dòng)，這里有 3 個(gè)問(wèn)題。

問(wèn)題 1：

它創(chuàng)建的接口是 /dev/led，這不是一個(gè)通用接口，會(huì)增加上層開(kāi)發(fā)人員的學(xué)習(xí)成本。

解決這個(gè)問(wèn)題需要在 LED char driver 上再添加一層 LED framework，LED framework 負(fù)責(zé)給用戶空間提供標(biāo)準(zhǔn)化的訪問(wèn)接口，同時(shí)用于添加可復(fù)用的邏輯功能。

基本上各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)都有自己的 framework，例如 input,IIO, ALSA, V2L2, RTC, watchdog 等。

使用這些 framework 驅(qū)動(dòng)工程師不用考慮提供給用戶空間的接口，應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員也只需要學(xué)習(xí)一次標(biāo)準(zhǔn)的硬件訪問(wèn)接口接口。

問(wèn)題 2：

它只是控制 1 個(gè) gpio，但是卻申請(qǐng)使用了 2 個(gè)寄存器，這 2 個(gè)寄存器負(fù)責(zé)控制芯片的 8 個(gè) gpio。這意味著其他 7 個(gè) gpio 再也沒(méi)法被其他驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)使用。

解決這個(gè)問(wèn)題需要引入一個(gè) gpio 的管理者：gpiolib。gpiolib 負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理和分配 gpio 資源。

問(wèn)題 3：

它包含了硬件信息。如果我們想控制另外一個(gè) gpio或者多個(gè) gpio，就得改動(dòng)源碼，代碼維護(hù)的工作量極大。

解決這個(gè)問(wèn)題我們需要將硬件信息從代碼中抽取出來(lái)，具體的就是引入總線、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)模型。

更好的 LED 驅(qū)動(dòng)

我們用上面的思路，寫一個(gè)更合理的 LED 驅(qū)動(dòng)。

引入 LED framework：

1、初始化 led_classdev 結(jié)構(gòu)體。

2、提供一個(gè)回調(diào)函數(shù)來(lái)改變狀態(tài) LED 的。

3、使用 led_classdev_register() 在想 LED framework 注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序。

引入 gpiolib：

內(nèi)核管理 gpio 的思路是典型的 producer/consumer 模型。

GPIO controller driver 是 producer，LED driver 是 consumer。

下面是幾個(gè)常用的 gpiolib api，它們的作用一目了然:

#include
#include
structgpio_desc*gpiod_get(structdevice*dev,constchar*con_id,enumgpiod_flagsflags);

voidgpiod_put(structgpio_desc*desc);

intgpiod_direction_input(structgpio_desc*desc);

intgpiod_direction_output(structgpio_desc*desc,intvalue);

voidgpiod_set_value(structgpio_desc*desc,intvalue);

intgpiod_get_value(conststructgpio_desc*desc);

引入總線、設(shè)備、驅(qū)動(dòng)模型 ：

該模型包含 4 部分。

Bus core： 對(duì)硬件總線的抽象，不同總線有不同的 Bus core，例如 USB core, SPI core,I2C core, PCI core ，在內(nèi)核中由 bus_type 結(jié)構(gòu)表示。

Bus adapters： 總線控制器驅(qū)動(dòng)程序，在內(nèi)核中由 device_driver 結(jié)構(gòu)體表示。

Bus drivers： 負(fù)責(zé)管理連接到總線的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，在內(nèi)核中由 device_driver 結(jié)構(gòu)體表示。

Bus devices： 連接到總線的設(shè)備，在內(nèi)核中由結(jié)構(gòu) device 表示。

內(nèi)核虛擬了一條叫 Platform 的總線，用于適配 LED 這種不屬于任何總線的設(shè)備。

看下改造后的代碼：

設(shè)備信息：

LED {
<&gpio1 9>
}

硬件控制：

taticstructdrvled_data_st*drvled_data;

staticvoiddrvled_setled(unsignedintstatus)
{
//控制gpio
if(status==LED_ON)
gpiod_set_value(drvled_data->desc,1);
else
gpiod_set_value(drvled_data->desc,0);
}

staticvoiddrvled_change_state(structled_classdev*led_cdev,
enumled_brightnessbrightness)
{
if(brightness)
drvled_setled(LED_ON);
else
drvled_setled(LED_OFF);
}

向 LED framework 注冊(cè)：

staticintdrvled_probe(structplatform_device*pdev)
{
structdevice_node*np=pdev->dev.of_node;
structdevice_node*child=NULL;
intresult,gpio;

child=of_get_next_child(np,NULL);

drvled_data=devm_kzalloc(&pdev->dev,sizeof(*drvled_data),
GFP_KERNEL);
if(!drvled_data)
return-ENOMEM;

//從設(shè)備數(shù)中獲得硬件信息
gpio=of_get_gpio(child,0);

result=devm_gpio_request(&pdev->dev,gpio,pdev->name);
if(result){
dev_err(&pdev->dev,"ErrorrequestingGPIO
");
returnresult;
}

drvled_data->desc=gpio_to_desc(gpio);

drvled_data->led_cdev.name=of_get_property(child,"label",NULL);
drvled_data->led_cdev.brightness_set=drvled_change_state;

//注冊(cè)進(jìn)LEDframework
result=devm_led_classdev_register(&pdev->dev,&drvled_data->led_cdev);
if(result){
dev_err(&pdev->dev,"Errorregisteringled
");
returnresult;
}

gpiod_direction_output(drvled_data->desc,0);

dev_info(&pdev->dev,"initialized.
");

return0;
}

staticintdrvled_remove(structplatform_device*pdev)
{
dev_info(&pdev->dev,"exiting.
");

return0;
}

staticconststructof_device_idof_drvled_match[]={
{.compatible="labworks,drvled"},
{},
};

staticstructplatform_driverdrvled_driver={
.driver={
.name="drvleds",
.owner=THIS_MODULE,
.of_match_table=of_drvled_match,
},
.probe=drvled_probe,
.remove=drvled_remove,
};

module_platform_driver(drvled_driver);

改造后，應(yīng)用總是通過(guò)下面這種標(biāo)準(zhǔn)的接口訪問(wèn) LED：

#燈亮
$echo1>/sys/class/leds//brightness

#燈滅
$echo0>/sys/class/leds//brightness

并且有大量的 trigger 可供使用，例如讓 LED 呈心跳狀態(tài)的 heartbeat trigger：

$echoheartbeat>/sys/class/leds//trigger

假設(shè)這時(shí)你想改用 gpio expander 芯片來(lái)控制 LED：

只需要添加這個(gè) gpio expander 的驅(qū)動(dòng)代碼，并且修改設(shè)備樹(shù)即可，其他部分完全不需要改動(dòng)：

gpioexp {
I2C0, 0x10
}
LED {
<&gpioexp 3>
}

到此，你是否更清楚如何為 Linux 添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)了呢？