Linux驱动框架及详述（详细教程）

1、前言

我们想要进行Linux驱动开发，首先就需要知道Linux驱动框架是什么样的？编写驱动和应用层的编写有什么区别？

2、驱动程序的分类

Linux中主要有三大类驱动类型，分别是：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。

1、字符设备驱动：因为软件操作设备是是以字节为单位进行的，是按照字节流进行读写操作的一种设备。典型的如LCD、蜂鸣器、SPI、触摸屏等驱动，都属于字符设备驱动的范畴。大部分的驱动程序都是属于字符设备驱动。

2、块设备驱动：块设备驱动是相对于字符设备驱动而定义的，因为块设备被软件操作时，是以块为单位进行操作的（块指的是多个字节组成一个块）。块设备大多指的都是各种存储类类设备，比如EMMC、SD卡、NANDFlash、U盘等等。

3、网络设备驱动：专门针对网络设备而设计的一种驱动，不管是有线还是无线网络，都属于网络设备驱动。

另外，一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如 USB WIFI设备，其使用 USB 接口，所以属于字符设备，但是其又能上网，所以也属于网络设备驱动。

驱动程序实际上起到承上启下的作用，上承应用程序，对下则实现了具体的硬件操作。

3、设备驱动程序功能

应用程序位于用户空间，驱动程序位于内核空间。Linux系统规定，用户空间不可以直接调用内核空间的函数。所以必须经过系统调用，应用程序才可以调用驱动程序的函数。

系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件， 应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，运行在核心态，它完成以下的功能：

• 对设备初始化和释放；
• 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；
• 读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；
• 检测和处理设备出现的错误；

4、驱动的基本框架

Linux驱动的基本框架包含两部分，“模块入口、出口的注册”和“模块入口、出口函数的实现”，如下方代码：

static int __init shanwuyan_init(void)    //驱动入口函数
{
    return 0;
}

static void __exit shanwuyan_exit(void)    //驱动出口函数
{

}

module_init(shanwuyan_init);    //注册入口函数
module_exit(shanwuyan_exit);    //注册出口函数
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其中，module_init()和module_exit()两个函数的作用是注册驱动的入口“shanwuyan_init”和出口“shanwuyan_exit”。加载驱动时会运行入口函数，卸载驱动时会运行出口函数。入口函数的作用是加载驱动时做一些初始化工作，比如注册设备、申请设备号、生成设备节点等等，其返回值为int类型；出口函数的作用是卸载驱动时做一些善后操作，比如注销设备、注销设备号、销毁类等等。

5、Hello驱动的编写

我们在编写应用程序的时候，首先也是先学会如何再电脑屏幕上输出 “helllo world”。同样的，我们编写的第一个驱动程序，也是先学会hello驱动，该驱动不涉及任何的硬件操作，而且也是属于字符设备驱动的范畴。主要实现的功能是：

1. 应用程序调用 open、read、write 等函数时，对应的驱动函数都打印出内核信息；
2. 应用程序调用 write 函数时，传入的数据保存在驱动中；
3. 应用程序调用 read 函数时，把驱动中保存的数据再返回给应用程序，并打印出来

驱动程序的编写其实也是有迹可循的，主要的编写步骤如下：

1. 确定主设备号，也可以让内核自动分配；
2. 定义自己的 file_operations 结构体；
3. 实现对应的 drv_open/drv_read/drv_write 等函数，填入 file_operations 结构体；
4. 把 file_operations 结构体告诉内核：register_chrdev；
5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数；
6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用 unregister_chrdev；
7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create, device_create；

其中，驱动程序核心中的核心就是 file_operations 这个结构体了。在这个结构体里面，就是要实现这个驱动程序自己的 open、read、write等函数，并通过Linux内核提供的接口注册到内核里面去。而其他的一些步骤都是为了遵循LInux驱动程序的编写规范，用于完善这个驱动程序的。

驱动代码的编写也不用完全都自己写，我们可以参考Linux内核提供的一些已有的驱动程序，下面我们就参考内核的一份 misc 驱动，编写我们自己的hello驱动程序，hello驱动代码如下：

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>

/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static char kernel_buf[1024];
static struct class *hello_class;

#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */

/*
 * @description		: 从设备读取数据
 * @param - file	: 内核中的文件描述符
 * @param - buf		: 要存储读取的数据缓冲区（就是用户空间的内存地址）
 * @param - size	: 要读取的长度
 * @param - offset	: 相对于文件首地址的偏移量（一般读取信息后，指针都会偏移读取信息的长度）
 * @return 			: 返回读取的字节数，如果读取失败则返回-1
 */
static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));
	return MIN(1024, size);
}

/*
 * @description		: 向设备写数据
 * @param - file	: 内核中的文件描述符
 * @param - buf		: 要写给设备驱动的数据缓冲区
 * @param - size	: 要写入的长度
 * @param - offset	: 相对于文件首地址的偏移量
 * @return 			: 返回写入的字节数，如果写入失败则返回-1
 */
static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));
	return MIN(1024, size);
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - node	: 设备节点
 * @param - file	: 文件描述符
 * @return 			: 打开成功返回0，失败返回-1
 */
static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭设备
 * @param - node	: 设备节点
 * @param - file	: 文件描述符
 * @return 			: 关闭成功返回0，失败返回-1
 */
static int hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations hello_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open    = hello_drv_open,
	.read    = hello_drv_read,
	.write   = hello_drv_write,
	.release = hello_drv_close,
};

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 		*/
static int __init hello_init(void)
{
	int err;
	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	major = register_chrdev(0, "hello", &hello_drv);  /* /dev/hello */

	/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                 */
	hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
	err = PTR_ERR(hello_class);
	if (IS_ERR(hello_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "hello");
		return -1;
	}	
	device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */
	
	return 0;
}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit hello_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(hello_class);
	unregister_chrdev(major, "hello");
}

/* 指定驱动的入口和出口，以及声明自己的驱动遵循GPL协议（不声明的话无法把驱动加载进内核） */
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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hello驱动程序的几点说明：

1. 驱动程序要打印信息的时候，调用的函数是 printk ，而应用程序调用的是 printf；
2. 应用程序和驱动程序之间传递数据，不能使用简单的赋值或者memcpy等，要使用内核提供的 copy_from_user/copy_to_user 函数。当然如果需要传递大量数据的时候，还可以使用内存映射的方式；
3. 阅读一个驱动程序，首先要找到驱动程序的入口函数。上面的驱动入口函数就是hello_init函数，该函数做的事情就是向内核注册了一个 file_oprations 结构体，并且完成自动创建设备节点相关的代码；
4. file_oprations 结构体是驱动程序的核心，里面提供了本驱动 open/read/write/release 等成员，当应用程序调用了open/read/write/release 等函数时，就会导致对应驱动的这些成员函数被调用；

6、字符设备(LED)驱动程序编写实例

这里以LED的驱动程序为例给大家讲解字符设备的驱动程序的编写流程和框架。

6.1 定义file_operations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		: 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 *filp)
{
	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)
{
	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;
	unsigned char databuf[1];
	unsigned char ledstat;

	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
	if(retvalue < 0) {
		printk("kernel write failed!\r\n");
		return -EFAULT;
	}

	ledstat = databuf[0];		/* 获取状态值 */

	if(ledstat == LEDON) {	
		led_switch(LEDON);		/* 打开LED灯 */
	} else if(ledstat == LEDOFF) {
		led_switch(LEDOFF);	/* 关闭LED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)
{
	return 0;
}

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6.2 编写init函数

• 寄存器地址映射；
• 使能GPIO1时钟；
• 设置GPIO1_IO03的复用功能，设置IO属性；
• 设置GPIO1_IO03为输出；
• 默认关闭LED；
• 注册字符设备驱动；

static int __init led_init(void)
{
	int retvalue = 0;
	u32 val = 0;
	
	/* 初始化LED */
	/* 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);
	val &= ~(3 << 26);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (3 << 26);	/* 设置新值 */
	writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 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);
	/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置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 [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
	 */
	writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
	
	/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
	val = readl(GPIO1_GDIR);
	val &= ~(1 << 3);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (1 << 3);	/* 设置为输出 */
	writel(val, GPIO1_GDIR);
	
	/* 5、默认关闭LED */
	val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);
	
	/* 6、注册字符设备驱动 */
	retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
	if(retvalue < 0){
		printk("register chrdev failed!\r\n");
		return -EIO;
	}
	return 0;
}

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6.3 编写exit函数

/*
 1. @description	: 驱动出口函数
 2. @param 		: 无
 3. @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	/* 取消映射 */
	iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
	iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
	iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
	iounmap(GPIO1_DR);
	iounmap(GPIO1_GDIR);
	/* 注销字符设备驱动 */
	unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}
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6.4 总结

1. 定义file_operations结构体，存放文件操作函数；
2. 编写驱动入口函数init函数，完成对管脚的映射，对相关寄存器进行操作；
3. 编写驱动出口函数exit函数，取消映射，注销字符设备驱动；