哈嘍，我是老吳。

非常懷念寫文章的感覺。

昨晚復習了一些 Linux 驅動的基礎知識，給大家分享一下吧。

先說結論：

多年來，我接觸到的 Linux 驅動教程大多都是從 0 編寫，這樣對初學者而言最大的好處，就是可以接觸到比較多的底層原理。

但是在真正的工作場景里，其實是應該盡量避免從 0 構建自己的設備驅動的。

更好的做法是在高度模塊化的驅動框架里添加自己的設備驅動。

這樣做的好處是最大程度地復用內核現(xiàn)有的代碼，同時獲得極大的彈性和可維護性，并且為應用程序提供出統(tǒng)一的訪問接口。

下面詳細地說說。

什么是設備驅動？

設備驅動程序 (device driver) 是對硬件的抽象:

提供基礎框架來編寫和運行設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核責任的一部分。

盡管可以在用戶空間中運行設備驅動程序（通過一些內核接口，如 UIO 或 I2CDEV），更常見的情況是讓它們在內核空間中運行。

以字符設備驅動為例：

字符設備 (char device) 是一種最常見的硬件抽象。

/dev 目錄下的設備節(jié)點文件就是內核導出給用戶空間的訪問設備驅動的接口。

設備節(jié)點文件中有三個基本信息：

• Type，用于標識是 block 還是 char device;

• Major number，用于標志是那一類 char deivce;

• Minor number，用于標志是哪一個 char device;

編寫字符設備驅動的流程：

1、分配設備號，這通過 register_chrdev_region() 或 alloc_chrdev_region() 來完成;

2、實現(xiàn)文件操作（open、read、write、ioctl）等。

3、使用 cdev_init() 和 cdev_add() 向內核中注冊字符設備。

以 LED 字符設備驅動為例

如果按照從 0 構建的思路編寫驅動的話，偽代碼如下：

硬件訪問相關：

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：

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,
};

注冊和卸載字符設備相關：

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);

運行效果：

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

三個問題

單從功能的角度看，上面的程序完全滿足控制一個 LED 的需求。

但是，它不是一個好的驅動，這里有 3 個問題。

問題 1：

它創(chuàng)建的接口是 /dev/led，這不是一個通用接口，會增加上層開發(fā)人員的學習成本。

解決這個問題需要在 LED char driver 上再添加一層 LED framework，LED framework 負責給用戶空間提供標準化的訪問接口，同時用于添加可復用的邏輯功能。

基本上各種設備驅動都有自己的 framework，例如 input,IIO, ALSA, V2L2, RTC, watchdog 等。

使用這些 framework 驅動工程師不用考慮提供給用戶空間的接口，應用開發(fā)人員也只需要學習一次標準的硬件訪問接口接口。

問題 2：

它只是控制 1 個 gpio，但是卻申請使用了 2 個寄存器，這 2 個寄存器負責控制芯片的 8 個 gpio。這意味著其他 7 個 gpio 再也沒法被其他驅動申請使用。

解決這個問題需要引入一個 gpio 的管理者：gpiolib。gpiolib 負責統(tǒng)一管理和分配 gpio 資源。

問題 3：

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

解決這個問題我們需要將硬件信息從代碼中抽取出來，具體的就是引入總線、設備、驅動模型。

更好的 LED 驅動

我們用上面的思路，寫一個更合理的 LED 驅動。

引入 LED framework：

1、初始化 led_classdev 結構體。

2、提供一個回調函數(shù)來改變狀態(tài) LED 的。

3、使用 led_classdev_register() 在想 LED framework 注冊驅動程序。

引入 gpiolib：

內核管理 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、設備、驅動模型 ：

該模型包含 4 部分。

Bus core： 對硬件總線的抽象，不同總線有不同的 Bus core，例如 USB core, SPI core,I2C core, PCI core ，在內核中由 bus_type 結構表示。

Bus adapters： 總線控制器驅動程序，在內核中由 device_driver 結構體表示。

Bus drivers： 負責管理連接到總線的設備的驅動程序，在內核中由 device_driver 結構體表示。

Bus devices： 連接到總線的設備，在內核中由結構 device 表示。

內核虛擬了一條叫 Platform 的總線，用于適配 LED 這種不屬于任何總線的設備。

看下改造后的代碼：

設備信息：

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：

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;

//注冊進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，應用總是通過下面這種標準的接口訪問 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

假設這時你想改用 gpio expander 芯片來控制 LED：

只需要添加這個 gpio expander 的驅動代碼，并且修改設備樹即可，其他部分完全不需要改動：

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

到此，你是否更清楚如何為 Linux 添加設備驅動了呢？