之前的几篇文章（从i.MX6ULL嵌入式Linux开发1-uboot移植初探起)，介绍了嵌入式了Linux的系统移植（uboot、内核与根文件系统）以及使用MfgTool工具将系统烧写到板子的EMMC中。
本篇开始介绍嵌入式Linux驱动开发。
内容较多，先看目录：
Linux中的外设驱动可以分为三大类：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。
在Linux中一切皆文件，驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为“/dev/xxx”的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。
比如最简单的点灯功能，会有/dev/led这样的驱动文件，应用程序使用open函数来打开文件/dev/led，如果要点亮或关闭led，那么就使用write函数写入开关值，如果要获取led的状态，就用read函数从驱动中读取相应的状态，使用完成以后使用close函数关闭/dev/led这个文件。
Linux软件从上到下可以分层4层结构，以控制LED为例：
应用层：应用程序使用库提供的open函数打开LED设备
库：库根据open函数传入的参数执行“swi”指令，进而引起CPU异常，进入内核
内核：内核的异常处理函数根据传入的参数找到对应的驱动程序，返回文件句柄给库，进而返回给应用层
应用层得到文件句柄后，使用库提供的write或ioctl发出控制指令
库根据write或ioctl函数传入的参数执行“swi”指令，进入内核
内核的异常处理函数根据传入的参数找到对应的驱动程序
驱动：驱动程序控制硬件，点亮LED
应用程序运行在用户空间，而Linux驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当应用层通过open函数打开/dev/led 这个驱动时，因用户空间不能直接操作内核，因此会使用“系统调用”的方法来从用户空间“陷入”到内核空间，实现对底层驱动的操作。
比如应用程序调用了open这个函数，则在驱动程序中也应有一个对应的open的函数。
每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在Linux内核文件include/linux/fs.h中有个file_operations结构体，就是Linux内核驱动操作函数集合：
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
/*省略若干行...*/
};
其中有关字符设备驱动开发中常用的函数有：
Linux 驱动有两种运行方式：
在驱动开发阶段一般都将其编译为模块，不需要编译整个Linux代码，方便调试驱动程序。当驱动开发完成后，根据实际需要，可以选择是否将驱动编译进Linux内核中。
Linux中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成。
Linux 提供了名为dev_t的数据类型表示设备号，其本质是32位的unsigned int数据类型，其中高12位为主设备号，低2 位为次设备号，因此Linux中主设备号范围为0~4095。
在文件include/linux/kdev_t.h中提供了几个关于设备号操作的宏定义：
#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
主设备号的分配包括静态分配和动态分配
设备号的申请函数：
/*
* dev：保存申请到的设备号
* baseminor：次设备号起始地址，一般baseminor为0 (次设备号以baseminor为起始地址地址开始递)
* count：要申请的设备号数量
* name：设备名字
*/
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
设备号的释放函数：
/*
* from：要释放的设备号
* count：表示从from开始，要释放的设备号数量
*/
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
在编写驱动的时候需要注册模块加载和卸载这两种函数：
module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数
module_init()用来向Linux内核注册一个模块加载函数，参数xxx_init就是需要注册的具体函数，当使用 “insmod” 命令加载驱动的时候，xxx_init这个函数就会被调用。
module_exit()用来向Linux内核注册一个模块卸载函数，参数xxx_exit就是需要注册的具体函数，当使
用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit函数就会被调用。
字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示：
/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{
/*入口函数内容 */
return 0;
}
/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{
/*出口函数内容*/
}
/*指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);
驱动编译完成以后扩展名为.ko， 有两种命令可以加载驱动模块:
insmod：最简单的模块加载命令，用于加载指定的.ko模块，此命令不能解决模块的依赖关系
modprobe：该命令会分析模块的依赖关系，将所有的依赖模块都加载到内核中，因此更智能
modprobe 命令默认会去/lib/modules/<kernel-version>目录中查找模块（自制的根文件系统没有这个目录，需要手动创建）
卸载驱动也有两种命令：
rmmod：例如使用rmmod drv.ko来卸载 drv.ko这一个模块modprobe -r：该命令除了卸载指定的驱动，还卸载其所依赖的其他模块，若这些依赖模块还在被其它模块使用，就不能使用 modprobe来卸载驱动模块！！！对于字符设备驱动而言，当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备，同样，卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。
字符设备的注册函数原型如下所示:
/* func: register_chrdev 注册字符设备
* major:主设备号
* name:设备名字，指向一串字符串
* fops:结构体 file_operations 类型指针，指向设备的操作函数集合变量
*/
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)
字符设备的注销函数原型如下所示:
/* func: unregister_chrdev 注销字符设备
* majo:要注销的设备对应的主设备号
* name:要注销的设备对应的设备名
*/
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数 xxx_init 中进行，字符设备的注销在驱动模块的出口函数 xxx_exit 中进行。
static struct file_operations test_fops;
/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{
/* 入口函数具体内容 */
int retvalue = 0;
/* 注册字符设备驱动 */
retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
if(retvalue < 0)
{
/* 字符设备注册失败, 自行处理 */
}
return 0;
}
/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
unregister_chrdev(200, "chrtest");
}
/* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);
“注：选择没有被使用的主设备号，可输入命令“cat /proc/devices”来查看当前已经被使用掉的设备号
”
file_operations 结构体就是设备的具体操作函数。
假设对chrtest这个设备有如下两个要求：
首先是 打开(open)、读取(read)、写入(write)、释放(release) 4个基本操作
/*打开设备*/
static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*用户实现具体功能*/
return 0;
}
/*从设备读取*/
static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
/*用户实现具体功能*/
return 0;
}
/*向设备写数据*/
static ssize_t chrtest_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
/*用户实现具体功能*/
return 0;
}
/*关闭释放设备*/
static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*用户实现具体功能*/
return 0;
}
然后是 驱动的入口(init)和出口(exit) 函数：
/*文件操作结构体*/
static struct file_operations test_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = chrtest_open,
.read = chrtest_read,
.write = chrtest_write,
.release = chrtest_release,
};
/*驱动入口函数*/
static int __init xxx_init(void)
{
/*入口函数具体内容*/
int retvalue = 0;
/*注册字符设备驱动*/
retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
if(retvalue < 0)
{
/*字符设备注册失败*/
}
return 0;
}
/*驱动出口函数*/
static void __exit xxx_exit(void)
{
/*注销字符设备驱动*/
unregister_chrdev(200, "chrtest");
}
/*指定为驱动的入口和出口函数*/
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);
LICENSE是必须添加的，否则编译时会报错，作者信息可加可不加。
MODULE_LICENSE() //添加模块 LICENSE 信息
MODULE_AUTHOR() //添加模块作者信息
总结一下：
下面以正点原子提供的教程中的chrdevbase这个虚拟设备为例，完整的编写一个字符设备驱动模块。chrdevbase不是实际存在的一个设备，只是为了学习字符设备的开发的流程。
需要分别编写驱动程序和应用程序。
为了区分两个程序的打印信息，在驱动程序的打印前都添加“[BSP]”标识，在应用程序的打印前都添加“[APP]”标识。
#define CHRDEVBASE_MAJOR 200 /*主设备号*/
#define CHRDEVBASE_NAME "chrdevbase" /*设备名*/
static char readbuf[100]; /*读缓冲区*/
static char writebuf[100]; /*写缓冲区*/
static char kerneldata[] = {"kernel data!"}; /*内核驱动中的数据，用来测试应用程序读取该数据*/
/*
* @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 chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk("[BSP] chrdevbase open!\n");
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 chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue = 0;
/* 向用户空间发送数据 */
memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));
retvalue = copy_to_user(buf, readbuf, cnt);
if(retvalue == 0)
{
printk("[BSP] kernel senddata ok!\n");
}
else
{
printk("[BSP] kernel senddata failed!\n");
}
printk("[BSP] chrdevbase read!\n");
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 chrdevbase_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue = 0;
/* 接收用户空间传递给内核的数据并且打印出来 */
retvalue = copy_from_user(writebuf, buf, cnt);
if(retvalue == 0)
{
printk("[BSP] kernel recevdata:%s\n", writebuf);
}
else
{
printk("[BSP] kernel recevdata failed!\n");
}
printk("[BSP] chrdevbase write!\n");
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 chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk("[BSP] chrdevbase release！\n");
return 0;
}
/*
* 设备操作函数结构体
*/
static struct file_operations chrdevbase_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = chrdevbase_open,
.read = chrdevbase_read,
.write = chrdevbase_write,
.release = chrdevbase_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int __init chrdevbase_init(void)
{
int retvalue = 0;
/* 注册字符设备驱动 */
retvalue = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME, &chrdevbase_fops);
if(retvalue < 0)
{
printk("[BSP] chrdevbase driver register failed\n");
}
printk("[BSP] chrdevbase init!\n");
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit chrdevbase_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);
printk("[BSP] chrdevbase exit!\n");
}
/*将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数*/
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);
/*LICENSE和作者信息*/
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai & xxpcb"); //本篇的程序代码在“正点原子”左大神提供的代码上进行修改
这里把程序截取为3段分析，首先看开头：
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
static char usrdata[] = {"usr data!"}; /*应用程序中的数据，用于测试通过驱动访问写入内核*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retvalue;
char *filename;
char readbuf[100], writebuf[100];
if(argc != 3)
{
printf("[APP] Error Usage!\n");
return -1;
}
//参数1是驱动的文件名，用来指定驱动的位置
filename = argv[1];
//【1】打开驱动文件
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("[APP] Can't open file %s\n", filename);
return -1;
}
printf("[APP] open file: '%s' success\n", filename);
主要是一些头文件和main函数入口，调用main函数时需要传入2个参数（实际是3个参数，函数名本身是默认的第0个参数，不需要手动指定），具体作用为：
再来看具体操作：
//【2】从驱动文件读取数据
if(atoi(argv[2]) == 1)//参数1表示【读取】内核中的数据
{
retvalue = read(fd, readbuf, 50);
if(retvalue < 0)
{
printf("[APP] read file '%s' failed!\n", filename);
}
else
{
/* 读取成功，打印出读取成功的数据 */
printf("[APP] read data:%s\n",readbuf);
}
}
//【3】向设备驱动写数据
if(atoi(argv[2]) == 2)//参数2表示向内核中【写入】数据
{
memcpy(writebuf, usrdata, sizeof(usrdata));
retvalue = write(fd, writebuf, 50);
if(retvalue < 0)
{
printf("[APP] write file %s failed!\n", filename);
}
else
{
printf("[APP] write data:'%s' to file ok\n", writebuf);
}
}
最后是关闭设备：
//【4】关闭设备
retvalue = close(fd);
if(retvalue < 0)
{
printf("[APP] Can't close file %s\n", filename);
return -1;
}
printf("[APP] close file ok\r\n");
return 0;
}
关闭即表示不再使用该设备了（若要再使用则重新打开即可），通过关闭驱动文件来实现字符设备驱动的关闭。
编译驱动，即编译chrdevbase.c这个文件为.ko 模块，使用Makefile来编译，先创建Makefile：
KERNELDIR := /home/xxpcb/myTest/imx6ull/kernel/nxp_kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := chrdevbase.o
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
各行含义：
输入“make”命令即可编译，编译后会出现许多编译文件
“注：若直接make编译报如下错误，是因为kernel中没有指定编译器和架构，使用了默认的x86平台编译报错。
修改Kernel工程的顶层Makefile，直接定义ARCH和CROSS_COMPILE 这两个的变量值为 arm 和 arm-linux-gnueabihf-
(内核篇的介绍见：i.MX6ULL嵌入式Linux开发3-Kernel移植)
”
编译应用程序不需要内核文件参与，只有一个文件就能编译，因此直接输入指令进行编译：
arm-linux-gnueabihf-gcc chrdevbaseApp.c -o chrdevbaseApp
编译会生chrdevbaseApp，它是32位LSB格式的ARM版本可执行文件
上一篇文章（i.MX6ULL嵌入式Linux开发6-系统烧写到eMMC与遇到的坑！）已经实现了系统移植的打包烧录工作，系统已经烧录的EMMC中了。这次我们就直接在这个基础上进行实验。
加载驱动模块，使用的modprobe命令，会从特定的目录下寻找文件。比如开发板使用的是4.1.15版的Linux内核 ，则是“/lib/modules/4.1.15”这个目录，这个目录一般是没有的，需要根据Linux内核的版本自己创建。
注意这是开发板的文件系统中的路径，可以通过串口连接进入开发板，通过linux指令创建该目录。
此次测试首先需要将ubuntu中编译的文件传输到板子中运行，怎么传输呢？可以使用TFTP传输服务。
在之前的文章（i.MX6ULL嵌入式Linux开发2-uboot移植实践）中已经介绍了如何在ubuntu中搭建TFTP服务器。
搭建好TFTP服务后，开始传输文件到开发板具体的传输步骤为：
开发板连接网线，与ubuntu虚拟机处于同一局域网内
确保ubuntu已安装的TFTP服务，并设置了TFTP服务文件夹
将ubuntu中编译好的文件复制到ubuntu的TFTP服务文件夹中！！！
mv chrdevbaseApp ~/myTest/tftpboot/
mv chrdevbase.ko ~/myTest/tftpboot/
注：编译完程序，在传输到板子之前，一定要记得把文件先复制到TFTP文件夹中，否则板子获取到的可能是TFTP文件夹中的旧文件。
开发板的串口中通过如下指令来将ubuntu中的文件传输到开发板中
cd /lib/modules/4.1.15 /*确保在要下载文件的目录中，若已在，则忽略*/
tftp -g -r chrdevbaseApp 192.168.5.101 /*获取chrdevbaseApp文件*/
tftp -g -r chrdevbase.ko 192.168.5.101 /*获取chrdevbase.ko文件*/
这里的-g代表get，即下载文件，-r代表remote file，即远程主机的文件名，然后是要下载的文件名，最后的远程主机ubuntu的IP地址。
输入该指令后，可以看到文件传输进度，如下图：
驱动文件chrdevbase.ko和应用文件chrdevbaseApp传输到板子中的/lib/modules/4.1.15目录后，就可以测试了。
首先使用insmod命令来加载驱动，然后使用lsmod查看当前的驱动（只有一个我们刚加载的字符驱动），再使用使用cat指令查看devices 信息，确认系统中是否已经列举了该设备，3条指令如下：
insmod chrdevbase.ko
lsmod
cat /proc/devices
具体是输出信息：
可以看出，系统中存在chrdevbase设备，主设备号为程序中设定的200。
驱动加载后，还要在/dev目录下创建一个对应的设备节点文件（应用程序就是通过该节点文件实现对设备的操作）。
输入如下2条命令创建/dev/chrdevbase这个设备节点文件，并查看结果：
mknod /dev/chrdevbase c 200 0
ls /dev/chrdevbase -l
至此，字符设备驱动已经加载完成，可以测试我们的应用程序了，也就是读和写：
按照上面程序的设定，1是读，2是写：
./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1
./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 2
图中下部是程序输出信息，但似乎只有BSP驱动程序的的输出，没有APP应用程序的输出，应该是内核打印printk与应用的打印printf冲突了，导致APP的打印被挤掉了。
对于打印冲突问题，我们可以先在每个printf前后加个sleep(1)的1秒延时，这样可以先避免打印冲突。
增加延时后再次测试，打印正常：
测试完，最后是rmmod命令卸载模块：
本篇介绍了嵌入式Linux驱动开发中的基础驱动——字符驱动开发的基本模式，使用了一个虚拟的字符设备驱动进行测试，了解驱动程序与应用程序之间的调用关系。
—— The End ——
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