Linux驱动实践：如何编写【 GPIO 】设备的驱动程序？

作 者：道哥，10+年嵌入式开发老兵，专注于：C/C++、嵌入式、Linux。

文章目录

• ​​示例程序目标​​
• ​​编写驱动程序​​

• ​​创建驱动目录和驱动程序​​
• ​​创建 Makefile 文件​​
• ​​编译驱动模块​​
• ​​加载驱动模块​​
• ​​设备节点​​

• ​​应用程序​​
• ​​卸载驱动模块​​

别人的经验，我们的阶梯！

大家好，我是道哥。

在前几篇文章中，我们一块讨论了：在 ​​Linux​​ 系统中，编写字符设备驱动程序的基本框架，主要是从代码流程和 API 函数这两方面触发。

这篇文章，我们就以此为基础，写一个有实际应用功能的驱动程序：

1. 在驱动程序中，初始化 GPIO 设备，自动创建设备节点;
2. 在应用程序中，打开 GPIO 设备，并发送控制指令设置 GPIO 口的状态;

示例程序目标

编写一个驱动程序模块：mygpio.ko。

当这个驱动模块被加载的时候，在系统中创建一个 ​​mygpio​​​ 类设备，并且在 ​​/dev​​​ 目录下，创建 ​​4​​ 个设备节点：

/dev/mygpio0

/dev/mygpio1

/dev/mygpio2

/dev/mygpio3

因为我们现在是在 ​​x86​​​ 平台上来模拟 ​​GPIO​​​ 的控制操作，并没有实际的 ​​GPIO​​ 硬件设备。

因此，在驱动代码中，与硬件相关部分的代码，使用宏 ​​MYGPIO_HW_ENABLE​​​ 控制起来，并且在其中使用​​printk​​输出打印信息来体现硬件的操作。

在应用程序中，可以分别打开以上这 ​​4​​​ 个 ​​GPIO​​​ 设备，并且通过发送控制指令，来设置 ​​GPIO​​ 的状态。

编写驱动程序

以下所有操作的工作目录，都是与上一篇文章相同的，即：​​~/tmp/linux-4.15/drivers/​​。

创建驱动目录和驱动程序

$ cd linux-4.15/drivers/
$ mkdir mygpio_driver
$ cd mygpio_driver
$ touch mygpio.c

​​mygpio.c​​ 文件的内容如下(不需要手敲，文末有代码下载链接)：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/cdev.h>

// GPIO 硬件相关宏定义
#define MYGPIO_HW_ENABLE

// 设备名称
#define MYGPIO_NAME         "mygpio"

// 一共有４个 GPIO 口
#define MYGPIO_NUMBER       4

// 设备类
static struct class *gpio_class;

// 用来保存设备
struct cdev gpio_cdev[MYGPIO_NUMBER];

// 用来保存设备号
int gpio_major = 0;
int gpio_minor = 0;

#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
// 硬件初始化函数，在驱动程序被加载的时候(gpio_driver_init)被调用
static void gpio_hw_init(int gpio)
{
    printk("gpio_hw_init is called: %d. \n", gpio);
}

// 硬件释放
static void gpio_hw_release(int gpio)
{
    printk("gpio_hw_release is called: %d. \n", gpio);
}

// 设置硬件GPIO的状态，在控制GPIO的时候(gpio_ioctl)被调研
static void gpio_hw_set(unsigned long gpio_no, unsigned int val)
{
    printk("gpio_hw_set is called. gpio_no = %ld, val = %d. \n", gpio_no, val);
}
#endif

// 当应用程序打开设备的时候被调用
static int gpio_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    
    printk("gpio_open is called. \n");
    return 0;   
}

// 当应用程序控制GPIO的时候被调用
static long gpio_ioctl(struct file* file, unsigned int val, unsigned long gpio_no)
{
    printk("gpio_ioctl is called. \n");
    
    // 检查设置的状态值是否合法
    if (0 != val && 1 != val)
    {
        printk("val is NOT valid! \n");
        return 0;
    }

    // 检查设备范围是否合法
    if (gpio_no >= MYGPIO_NUMBER)
    {
        printk("dev_no is invalid! \n");
        return 0;
    }

    printk("set GPIO: %ld to %d. \n", gpio_no, val);

#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
    // 操作 GPIO 硬件
    gpio_hw_set(gpio_no, val);
#endif

    return 0;
}

static const struct file_operations gpio_ops={
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = gpio_open,
    .unlocked_ioctl = gpio_ioctl
};

static int __init gpio_driver_init(void)
{
    int i, devno;
    dev_t num_dev;

    printk("gpio_driver_init is called. \n");

    // 动态申请设备号(严谨点的话，应该检查函数返回值)
    alloc_chrdev_region(&num_dev, gpio_minor, MYGPIO_NUMBER, MYGPIO_NAME);

    // 获取主设备号
    gpio_major = MAJOR(num_dev);
    printk("gpio_major = %d. \n", gpio_major);

    // 创建设备类
    gpio_class = class_create(THIS_MODULE, MYGPIO_NAME);

    // 创建设备节点
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
    {
        // 设备号
        devno = MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i);
        
        // 初始化 cdev 结构
        cdev_init(&gpio_cdev[i], &gpio_ops);

        // 注册字符设备
        cdev_add(&gpio_cdev[i], devno, 1);

        // 创建设备节点
        device_create(gpio_class, NULL, devno, NULL, MYGPIO_NAME"%d", i);
    }

#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
    // 初始化 GPIO 硬件
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
    {
        gpio_hw_init(i);
    }
#endif

    return 0;
}

static void __exit gpio_driver_exit(void)
{
    int i;
    printk("gpio_driver_exit is called. \n");

    // 删除设备和设备节点
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
    {
        cdev_del(&gpio_cdev[i]);
        device_destroy(gpio_class, MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i));
    }

    // 释放设备类
    class_destroy(gpio_class);

#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE
    // 释放 GPIO 硬件
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i)
    {
        gpio_hw_release(i);
    }
#endif

    // 注销设备号
    unregister_chrdev_region(MKDEV(gpio_major, gpio_minor), MYGPIO_NUMBER);
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(gpio_driver_init);
module_exit(gpio_driver_exit);

相对于前几篇文章来说，上面的代码稍微有一点点复杂，主要是多了宏定义 ​​MYGPIO_HW_ENABLE​​ 控制部分的代码。

比如：在这个宏定义控制下的三个与硬件相关的函数：

gpio_hw_init()

gpio_hw_release()

gpio_hw_set()

就是与​​GPIO​​硬件的初始化、释放、状态设置相关的操作。

代码中的注释已经比较完善了，结合前几篇文章中的函数说明，还是比较容易理解的。

从代码中可以看出：驱动程序使用 ​​alloc_chrdev_region​​​ 函数，来动态注册设备号，并且利用了 ​​Linux​​​ 应用层中的 udev 服务，自动在 ​​/dev​​ 目录下创建了设备节点。

另外还有一点：在上面示例代码中，对设备的操作函数只实现了 open 和 ioctl 这两个函数，这是根据实际的使用场景来决定的。

这个示例中，只演示了如何控制 GPIO 的状态。

你也可以稍微补充一下，增加一个​​read​​​函数，来读取某个​​GPIO​​口的状态。

控制 GPIO 设备，使用 write 或者 ioctl 函数都可以达到目的，只是 ioctl 更灵活一些。

创建 Makefile 文件

$ touch Makefile

内容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
  obj-m := mygpio.o
else
  KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
  PWD := $(shell pwd)
default:
  $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
  $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
endif

编译驱动模块

$ make

得到驱动程序： mygpio.ko 。

加载驱动模块

在加载驱动模块之前，先来检查一下系统中，几个与驱动设备相关的地方。

先看一下 /dev 目录下，目前还没有设备节点( /dev/mygpio[0-3] )。

$ ls -l /dev/mygpio*
ls: cannot access '/dev/mygpio*': No such file or directory

再来查看一下 /proc/devices 目录下，也没有 ​​mygpio​​ 设备的设备号。

$ cat /proc/devices

为了方便查看打印信息，把​​dmesg​​输出信息清理一下：

$ sudo dmesg -c

现在来加载驱动模块，执行如下指令:

$ sudo insmod mygpio.ko

当驱动程序被加载的时候，通过 ​​module_init( )​​​ 注册的函数 ​​gpio_driver_init()​​ 将会被执行，那么其中的打印信息就会输出。

还是通过 ​​dmesg​​ 指令来查看驱动模块的打印信息：

$ dmesg 

可以看到：操作系统为这个设备分配的主设备号是 244，并且也打印了​​GPIO​​硬件的初始化函数的调用信息。

此时，驱动模块已经被加载了!

来查看一下 /proc/devices 目录下显示的设备号：

$ cat /proc/devices

设备已经注册了，主设备号是: 244 。

设备节点

由于在驱动程序的初始化函数中，使用 ​​cdev_add​​​ 和 ​​device_create​​ 这两个函数，自动创建设备节点。

所以，此时我们在 ​​/dev​​​ 目录下，就可以看到下面这​​4​​个设备节点：

现在，设备的驱动程序已经加载了，设备节点也被创建好了，应用程序就可以来控制 GPIO 硬件设备了。

应用程序

应用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目录下。

$ mkdir ~/tmp/App/app_mygpio
$ cd ~/tmp/App/app_mygpio
$ touch app_mygpio.c

文件内容如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>

#define MY_GPIO_NUMBER      4

// 4个设备节点
char gpio_name[MY_GPIO_NUMBER][16] = {
    "/dev/mygpio0",
    "/dev/mygpio1",
    "/dev/mygpio2",
    "/dev/mygpio3"
};


int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, gpio_no, val;

    // 参数个数检查
    if (3 != argc)
    {
        printf("Usage: ./app_gpio gpio_no value \n");
        return -1;
    }

    gpio_no = atoi(argv[1]);
    val = atoi(argv[2]);

    // 参数合法性检查
    assert(gpio_no < MY_GPIO_NUMBER);
    assert(0 == val || 1 == val);

    // 打开 GPIO 设备
    if((fd = open(gpio_name[gpio_no], O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){
        printf("%s: open failed! \n", gpio_name[gpio_no]);
        return -1;
    }

    printf("%s: open success! \n", gpio_name[gpio_no]);

    // 控制 GPIO 设备状态
    ioctl(fd, val, gpio_no);
    
    // 关闭设备
    close(fd);
}

以上代码也不需要过多解释，只要注意参数的顺序即可。

接下来就是编译和测试了：

$ gcc app_mygpio.c -o app_mygpio

执行应用程序的时候，需要携带​​2​​个参数：GPIO 设备编号(0 ~ 3)，设置的状态值(0 或者 1)。

这里设置一下​​/dev/mygpio0​​​这个设备，状态设置为​​1​​：

$ sudo ./app_mygpio 0 1
[sudo] password for xxx: <输入用户密码>
/dev/mygpio0: open success!

如何确认​​/dev/mygpio0​​​这个​​GPIO​​​的状态确实被设置为​​1​​​了呢？当然是看 ​​dmesg​​ 指令的打印信息：

$ dmesg

通过打印信息可以看到：确实执行了【设置 mygpio0 的状态为 1】的动作。

再继续测试一下：设置 mygpio0 的状态为 0：

$ sudo ./app_mygpio 0 0

当然了，设置其他几个​​GPIO​​口的状态，都是可以正确执行的！

卸载驱动模块

卸载指令：

$ sudo rmmod mygpio

此时，​​/proc/devices​​​ 下主设备号 ​​244​​​ 的 ​​mygpio​​ 已经不存在了。

再来看一下 ​​dmesg​​的打印信息：

可以看到：驱动程序中的 gpio_driver_exit( ) 被调用执行了。

并且，​​/dev​​​ 目录下的 ​​4​​​ 个设备节点，也被函数 ​​device_destroy()​​ 自动删除了！

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