字符驅動程序框架與應用測試程序編寫

該文章主要目的爲了學習並掌握以下幾個方面：

1. 熟悉並編寫字符設備驅動框架
2. 學習應用層的測試程序編寫
3. 內核空間與用戶空間的數據傳輸
4. 驅動安裝與卸載、設備文件查看、應用程序運行等相關命令使用。

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嵌入式系統框架簡單介紹

嵌入式系統由硬件、驅動、操作系統、應用，這幾部分層次構成。其中，驅動程序是硬件層與系統層之間的交互層，主要作用是操作底層硬件，實現硬件控制，而應用層位於操作系統層之上，應用層以操作系統爲中介，對驅動層的相關主要函數進行調用（如open(),read(),write()等函數），進而實現對硬件控制。
通常，驅動程序是編譯進操作系統內核中的，與內核融爲一體，區別在於，驅動程序可以以模塊化的形式動態編譯進內核中，相當於拼圖一樣，靈活可拆卸。操作系統可以理解爲龐大的函數庫，提供驅動和應用程序的調用。
應用程序的存放在文件系統中，文件系統可以理解爲一個目錄系統，由很多目錄組成，而這些應用程序就可以存放在某目錄下某文件中（相當於Windows電腦下各個盤符和目錄一樣，存在各個應用程序和文件），因此應用程序可以方便被查找和運行。
（以上均爲個人理解o(￣︶￣)o，有不足之處請指教哦。下面正式進入實操）

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實驗內容與源碼

編寫驅動程序和測試程序，實現：開發板任意2個按鍵按下，3個led燈反轉，並在shell終端顯示開發板運行的相關信息。

前期條件：開發板燒錄好u-boot，linux內核，文件系統
芯片：S3C440
開發板：韋老大的JZ2440
引腳說明 KEY1：GPP0，KEY2：GPG3 LED1：GPP4，LED2：GPP5，LED3：GPP6

本實驗源碼下載鏈接：”點擊此處”

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字符驅動程序框架與編寫

驅動程序很多中，本文章以字符驅動程序爲入門。學完驅動程序後，就感覺還算蠻簡單，主要是熟悉它的整體結構形式，以及底層寄存器的控制。下面爲編寫流程:

1. 新建以驅動源碼文件，名爲：drv_keyled.c ,然後找好一個已經寫好的字符驅動源碼，作爲模板參考。
2. 將需要的頭文件寫進來，可以直接從模板中copy過來（這些頭文件就是系統內核的源碼庫，驅動程序會從中調用），頭文件如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>

3.定義需要用的寄存器名稱等

typedef  unsigned long Uint32;
volatile unsigned long *gpiog_con=NULL;     //寄存器
volatile unsigned long *gpiog_data=NULL;   //寄存器

volatile unsigned long *gpiof_con=NULL;  //寄存器
volatile unsigned long *gpiof_data=NULL;//寄存器

int major;//主設備號

//類和設備類，可以幫助用於自動創建設備文件
static struct class* drv_keyled_class;  //定義類
static struct class_device* drv_keyled_class_device;  //定義一類設備

4.綁定驅動有關的重要函數到內核中。關聯綁定後，使得應用層（用戶層）調用open(),read(),write()等函數時，系統能找到驅動對應的xxx_open(),xxx_read(),xxx_write()函數，代碼如下：

//關鍵函數綁定（結構體）
static struct file_operations drv_key_fops=
{
    .owner = THIS_MODULE,
    .write = drv_keyled_write,
    .read = drv_keyled_read,
    .open = drv_keyled_open,

};

//初始化、卸載函數綁定(宏)
module_init(drv_keyled_init);
module_exit(drv_keyled_exit);

5.關鍵驅動函數編寫——初始化和卸載函數（即drv_keyled_init，drv_keyled_exit）。

初始化函數主要實現功能如下幾點：（卸載函數與初始化函數相反，略述）

• 向內核註冊驅動，即將結構體綁定的關鍵函數告訴內核，同時從內核中獲取主設備號：major，主設備號用於應用程序對具體哪個驅動的識別。
• 創建類和類設備，運行後，系統能自動創建設備文件：/dev/keyled，相當於應用層上手動完成“mknod“命令操作。
• 物理地址映射到虛擬地址VA（ioremap函數），由於系統開啓了MMU，因此程序都是在虛擬地址運行，如果要完成指定寄存器的控制，就需要將該寄存器的物理地址進行映射，通過虛擬地址完成寄存器控制。

初始化和卸載函數調用方法：

• 當應用層運行命令“insmod”進行驅動裝載時，系統自動調用初始化函數。
• 當應用層運行命令“rmmod”進行驅動卸載時，系統自動調用卸載函數。

源碼如下：

/*
函數名：drv_keyled_init
功能：初始化模塊功能（insmod裝載驅動時調用）
*/
static int drv_keyled_init(void)
{

    //註冊主設備號，由fops結構體告訴內核綁定的函數
    major = register_chrdev(0, "drv_keyled", &drv_key_fops);

    //創建類
    drv_keyled_class = class_create(THIS_MODULE, "drv_keyled");
    //創建類設備
    drv_keyled_class_device = class_device_create(drv_keyled_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "keyled");//   "/dev/keyled"

    //虛擬地址VA映射
    gpiof_con = (unsigned long*)ioremap(0x56000050, 12); //映射物理地址的起始地址與長度,返回虛擬地址
    gpiof_data =  gpiof_con+1;//地址在類型長度上加1（即+4地址）

    gpiog_con = (unsigned long*)ioremap(0x56000060, 12); //映射物理地址的起始地址與長度,返回虛擬地址
    gpiog_data =  gpiog_con+1;

    return 0;
}

/*
函數名：drv_keyled_exit
功能：卸載模塊功能（rmmod卸載驅動時調用）
*/
static void drv_keyled_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major, "drv_keyled");
    class_device_unregister(drv_keyled_class_device);
    class_destroy(drv_keyled_class);

    iounmap(gpiof_con);
    iounmap(gpiog_con);

}

6.關鍵驅動函數編寫—–xxx_open()，xxx_read()等函數（即drv_keyled_open，drv_keyled_open等）。

該部分的編寫是編寫驅動源碼的核心內容，實現了對寄存器配置與控制操作。當應用層調用open()，read(),系統就得調用這些對應的函數，因此，這些函數裏的內容以及要實現什麼樣的功能，由用戶自行發揮。該實驗將這些函數定義成如下功能：

• drv_keyled_open(): 實現按鍵和LED的引腳配置與初始化操作。
• drv_keyled_read(): 實現對按鍵電平狀態的讀取。
• drv_keyled_write(): 實現對LED燈的亮滅控制。 （注：實驗只用到了open，read，write三個常用函數，系統其實還提供了很多其他函數，可以見file_operations結構體裏的內容）

源碼如下：

/************驅動關鍵函數實現************/
/*
函數名：drv_keyled_open
功能：配置引腳功能
*/
int drv_keyled_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    char key_dat=1;
    printk("drv_keyled_open2\n");

    //GPF4.5.6
    *gpiof_con |= (1<<2*4) | (1<<2*5) | (1<<2*6) ;    //led 輸出
    *gpiof_data &= ((~(1<<4)) & (~(1<<5)) & (~(0<<6)));      //初始化2個點亮

    //GPG3,GPP0,GPP2
    *gpiog_con |= (0x3<<2*11) ;    //按鍵

    return 0;
}


/*
函數名：drv_keyled_write
功能：控制led亮滅，實現反轉
*/
static ssize_t drv_keyled_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{
    unsigned char key_data[2]={1,1};
    Uint32 data=*gpiof_data;

    //測試：讀取用戶傳入的按鍵值
    copy_from_user(key_data, buf, count);
    printk("kernel:the key is:%d , %d\n",key_data[0] ,key_data[1] ); //檢驗用戶空間傳輸的按鍵值

    //實現反轉led電平（反轉指定位電平同時其他的位不影響）
    *gpiof_data |= (1<<4) | (1<<5) |(1<<6);
    *gpiof_data &= ~(data & ((1<<4) | (1<<5) |(1<<6))); //

    return 0;

}

/*
函數名：drv_keyled_read
功能：讀key電平
*/
static ssize_t drv_keyled_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    unsigned char key_data[2]={1,1};
    unsigned char keybuf=0;

    if(size != sizeof(key_data))//用戶空間（應用程序）要讀取的字節與內核空間存的字節數一致
    {
        printk("read size has err\n");
        return -EINVAL; //返回錯誤
    }

    //把讀取的按鍵值發給用戶空間（應用端）
    key_data[0] = (*gpiof_data & (1<<0)) ? 1 : 0;
    key_data[1] = (*gpiog_data & (1<<3)) ?  1 : 0;

    if( key_data[0] == 0)
    {
         printk("key1 press \n");
        while(!keybuf)//按下彈出
        {
          keybuf= (*gpiof_data & (1<<0)) ? 1 : 0;
        }

    }
    if( key_data[1] == 0)
    {
        printk("key2 press \n");
        while(!keybuf)//按下彈出
        {
          keybuf= (*gpiog_data & (1<<3)) ? 1 : 0;
        }

    }

    copy_to_user(buf, key_data, sizeof(key_data));//copy_to_user(用戶空間，內核空間，字節數)

    return sizeof(key_data);
}

用戶空間與內核空間進行消息傳遞的關鍵函數：copy_from_user()和copy_to_user()。

• copy_from_user():通常在xxx_write()函數內調用，實現用戶空間的數據到內核空間的傳遞，傳遞的數據存在buf的形參中。copy_from_user()可以將buf中的數據讀出來。

• copy_to_user(): 通常在xxx_read()函數內調用，實現用戶空間讀取內核空間的數據，copy_to_user()是將內核裏的數據存於buf中，提供用戶層read()的讀取。

7.聲明驅動（模塊的許可證聲明），聲明後，某塊才能被正常安裝到系統內核。固定格式如下：

MODULE_LICENSE(“GPL”);

8.編寫驅動的makefile文件
同樣地，找一寫好的驅動makefile模板，修改主機上存儲開發板的linux源碼目錄（第一行），並更改obj-m選項（最後一行），代碼如下：

KERN_DIR = /work/mysystem/linux-2.6.22.6

all:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 

clean:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
    rm -rf modules.order

obj-m   += drv_keyled.o

obj-m的主要功能：將驅動代碼編譯成模塊（.ko文件），與obj-m對立的是：obj-y，是將代碼直接編譯到內核中。

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應用測試程序編寫

1.新建以應用程序文件，名爲：keyled_test.c ，同樣找一應用程序模板，把必要頭文件包含進來，如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

2.編寫內容，根據驅動提供的幾個關鍵函數功能，用戶層需要調取這些功能函數，完成最終實現。實驗目的是按下按鍵，反轉LED燈，因此需要調用read函數,讀出內核傳遞過來的數據（按鍵值），根據按鍵值是否按下，調用write函數，實現對led控制。
程序開始需要通過設備文件，打開對應的驅動，然後返回一句柄fd，程序可以通過fd完成設備的讀寫操作。

形參：int argc, char **argv的作用：

當系統啓動應用程序時，可以在啓動程序文件的後面加上要傳入的參數，這些參數就會傳進int argc, char **argv的形參中，其中：
（注：文件名的本身也是個參數，因此參數至少1個，啓動程序文件方式見後面操作）

• argc:顯示的是傳入參數的個數
• 指針argv[i]:顯示第i個參數的字符串內容

源碼如下：

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    unsigned char key_data[2]={1,1};

    fd = open("/dev/keyled", O_RDWR);  //應用端通過識別設備文件來識別驅動
    if (fd < 0)
    {
        printf("can't open!\n");
    }


    if(argc == 2)//argc[0]爲文件名本身
    {
        printf("argv=%s\n",argv[1]);
    }
    else if(argc == 3)
    {
        printf("argv=%s , %s\n",argv[1],argv[2]);
    }

    printf("hello word fd=%d\n",fd);

    while(1)
    {

        read(fd,key_data,sizeof(key_data));
        if(key_data[0] == 0 || key_data[1] == 0)
        {
            printf("user:k1=%d k2=%d\n",key_data[0],key_data[1]);//檢驗內核到用戶空間的數據傳輸
            write(fd,key_data,sizeof(key_data));
        }

    }

    return 0;

}

3.測試程序的makefile
採用arm-linux-gcc編譯器進行編譯，生成可執行程序文件keyled_test ，內容如下：

CROSS.=arm-linux-

keyled_test : keyled_test.c
    $(CROSS)gcc -o  $@  $<
clean:
    rm keyled_test

裝載驅動程序與運行測試程序

make編譯驅動模塊以及測試程序後，分別生成.ko文件和可執行文件，這兩個文件需要存放在根文件系統上，分爲完成驅動裝載和運行測試程序。
開發板掛載根文件系統，通常採用NFS網絡方式直接掛載到PC主機上，簡單方便，並大大減少程序調試時間，但是筆者由於路由器問題，無法建立主機和開發板的網絡連接，只能採用直接下載根文件系統到開發板上運行勒，很麻煩，每一次調試都得重新下一次，簡直崩潰o(╥﹏╥)o，下面是驅動裝載與測試程序運行具體步驟：

1.在製作好的根文件系統上新建以任意名稱的文件夾：/moduel，將.ko文件和應用程序執行文件存在該目錄中。

2.如果採用NFS掛載方式，可以省略此步。該步主要將文件系統下載在開發板中，因此需要在主機上把製作好的根文件系統轉成映像文件（採用mkyaffs2image工具），然後由dnw工具，通過usb方式 下載到開發板中。（篇幅有限，具體過程略述啦^_^，能用NFS最好咯）。

3.啓動開發板（uboot，kernel，文件系統都下載並裝載好），操作系統啓動後，在終端上進行驅動裝載（關鍵命令：insmod），如下：

insmod爲驅動裝載，lsmod爲查看裝載情況

4.運行測試程序，如下圖所示，圖中可以觀察到如下幾個結論：

• 運行的程序名稱後可加傳入的參數，如圖所示的參數爲：“iu”和“tr”。
• 按下按鍵時，可以終端打印出相關信息，這些信息都是編寫程序時實現的。
• 圖中顯示的kernel：…. 和user：…. 分別是內核空間與用戶空間之間傳遞的數據信息，可以看出它們傳遞的數據是按鍵值，並且結果正確的。

4.開發板測試結果，激動人心的當然是開發板的實際運行效果啦，隨着兩個按鍵的任意按下，3個LED等就會翻轉，看看效果(^▽^)：

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其它工作：驅動卸載與設備、進程查看等

1.查看設備與設備文件。設備顯示在/proc/devices虛擬文件系統內，設備文件可以在/dev目錄下查看。
可以看出主設備號爲252，次設備號爲0

2.查看當前測試程序的進程和cpu佔有率，此時啓動的應用程序需要在後臺運行（末位加上&字符），才能到前端查看進程和cpu佔有率。
可以看出：進程號爲791，cpu佔有率爲98%。

1.驅動卸載（從內核中卸載掉該驅動）與關閉進程（退出測試程序運行，通過進程號關閉）。