linux驱动编写：从hello world到 LED驱动
linux驱动是连接软件和硬件的一个中间介质，实现了对硬件的配置和控制。进一步将硬件抽象化，为软件操作硬件提供了简单的接口。不论硬件的具体形式如何，linux驱动都将其映射到一个文件，软件端对硬件的读写操作等都被抽象成文件操作了。本篇从hello world开始，简要介绍驱动的基本结构，然后再进一步介绍led硬件的搭建，以及驱动的编写，设备树的修改。让大家对linux驱动有一个基本的认识。
1. hello world驱动
hello world几乎成了所有编程书的第一个程序，用来介绍程序的大体结构。一个简单的hello world让人感觉这本书学起来真的很容易，不知不觉就进入圈套。被诱导入坑的我，也来用一个hello world诱别人入坑。先上程序：
#include
#include
module_license(gpl v2);
static int hello_init(void){
printk(kern_info hello world/n);
return 0;
}
static void hello_exit(void){
printk(kern_info goodbye, cruel world/n);
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
一个驱动的使用过程包括：模块的装载，软件调用，模块卸载。程序中module_init和module_exit是内核中的宏，是一个驱动必须包含部分。当驱动被装载时，就会调用module_init指定的初始化函数hello_init，而当驱动被卸载时，就会调用hello_exit函数。初始化函数通常都是进行设备树检查，内存分配映射，硬件配置，文件和硬件关联等操作。清除函数用于释放内存，硬件的清零等操作。通常驱动还会定义一些文件io操作，比如write，read，ioctrl等。hello world只给出一个驱动编写格式和流程，文件操作在led驱动中再介绍。module_lisence用于告诉内核该模块采用的许可证类型，这个一般和linux内核采用
的许可证一致就好了。
现在来看驱动模块是如何编译的，看makefile：
obj-m:=hello.o
arch=arm
cross_compile=arm-xilinx-linux-gnueabi-
cc:=$(cross_compile)gcc
ld:=$(cross_compile)ld
kerneldir:=/home/anpingbo/design/linux/linux-xlnx
pwd:=$(shell pwd)
all:
make -c $(kerneldir) m=$(pwd) modules
如果我们要构造的模块名称为hello.ko，那么就需要指定obj-m为hello.o，这个是hello.ko生成的依赖选项。是在zynq平台上编译模块，需要制定arch类型为arm，以及交叉编译工具，如果使用本机linux系统默认gcc就不能在zynq平台下加载模块，这里的交叉工具链为arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc，arm-xilinx-linux-gnueabi-ld是交叉连接器，把程序链接成可以在arm平台运行的模块。同时还需要制定内核系统文件夹，因为模块编译要用到内核的库。all下就是编译模块了。设置好交叉工具的环境变量后，直接执行make，机会生成hello.ko，这个就是编译好的驱动模块。
图1.1 编译hello驱动过程
我们打开zynq系统，加载hello.ko，加载使用insmod命令，卸载使用rmmod命令。我们发现没有打印出任何信息，这是不是模块编译有错误，其实模块没有错误，流程也都对。因为printk打印函数是有级别的，只有低于这个级别值才能打印到terminal中。我们可以修改内核级别，比如我们将级别降低：
echo 8 > /proc/sys/kernel/printk
我们还可以使用dmesg来查看驱动打印的日志。其会打印所有驱动加载和卸载的打印日志。
图1.2 insmod hello.ko
2. led驱动
2.1 vivado工程
我们通过axi_gpio来连接4个led灯，通过linux驱动来点亮led灯。block如图2.1，我们设置gpio宽度为4。还有一个我们需要用到的就是led映射到的内存，可以在address editor中看到，gpio0是led的。接下来就是一般的流程，管脚约束，综合，编译。然后导出工程，打开sdk，新建fsbl，编译，生成设备树，制作boot.bin。
图2.1 led硬件工程
2.2 led驱动
led属于字符类驱动，符合字符类驱动的写法。linux内核中每个模块实际上是以文件形式存在的，这些文件存放于/dev目录下。而不同的驱动模块具有不同的主设备号和次设备号。主设备号用于区别不同的驱动，而次设备号用于更具体的指向驱动指向的设备。设备号就相当于门牌号，用于唯一区别不同驱动。编写驱动过程中就需要为驱动分配设备号。现在进一步分析led驱动代码：
#define led_data 0x41200000
#define led_ctrl 0x41200004
这两行定义了led数据控制寄存器和数据读写寄存器的内存地址。实际上驱动对led硬件的配置和读写都是通过配置其寄存器实现的。具体要看gpio的硬件信息。
dev_t led_devt;
void __iomem *baseaddr;
dev_t定义了设备编号，__iomem定义了linux内核的存储指针。硬件的内存需要映射到linux内核空间才能操作。在使用和配置led时，需要先将其物理内存映射到linux内核的内存空间。映射函数ioremap就是专门用于io端口内存映射的。
static int led_major=25;
struct cdev *led_dev;
int led_value;
上述定义了一个led主设备号。通过ls –l命令可以查看/dev下驱动的设备号。当然这是一种不方便的方式，正常情况下设备号也可以自动分配。cdev是字符设备的结构体，定义如下：
struct cdev {
struct kobject kobj; // 内嵌的kobject对象
struct module *owner; // 所属模块
const struct file_operations *ops; // 文件操作结构体
struct list_head list; //linux内核所维护的链表指针
dev_t dev; //设备号
unsigned int count; //设备数目
};
文件操作结构体实际上提供了软件操作led的接口，上文讲过驱动都被映射成/dev下的一个文件，软件调用驱动的时候，以打开，读写，关闭对应设备文件来进行操控。我们看一下led驱动中的文件结构：
struct file_operations led_fops={
.owner=this_module,
.read=led_read,
.write=led_write,
.unlocked_ioctl=led_ioctl,
.open=led_open,
.release=led_release,
};
其中包含了文件应该有的四种基本操作open, read, write, release实际上是close。文件结构体还提供了ioctrl函数，这个函数为软件提供了一种更为灵活的操纵底层硬件的方法。
接下来对文件结构体中的每个函数进行分析。
1） led_open
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
struct resource *res;
int reg;
printk(begin: open led/n);
filp->private_data=inode->i_cdev;
res=request_mem_region(led_data, 0x10000, led);
if(!res){
printk(failed requesting resource/n);
return 0;
}
printk(begin: remap led/n);
baseaddr=ioremap(led_data, 0x10000);
if(!baseaddr){
printk(error: couldn't allocate baseaddr/n);
return 0;
}
printk(baseaddr is %x/n, baseaddr);
printk(begin: read led/n);
reg=ioread32(baseaddr);
printk(begin: write led %d/n, reg);
reg &= 0xfffffff0;
iowrite32(reg, baseaddr+4);
printk(success: gpio init/n);
return 0;
}
内核用inode结构在内部表示文件，inode结构中包含了大量有关文件的信息。当我们在linux中创建一个文件时，就会在相应的文件系统创建一个inode与之对应。文件实体和文件的inode是一一对应的。当打开文件时，就获得了inode。通过inode可以获得字符设备结构体i_cdev。inode在驱动开发中很少进行填充，通常都是用于查看。在使用led时，需要为其分配内存，首先通过函数request_mem_region来看是否有空闲linux内核内存可分配，如果可以就通过ioremap进行分配，返回linux内存首地址。之后读写led的时候就可以通过向这个地址写数据来控制led了。iowrite32(reg, baseaddr+4)是在配置led，使能了led。
2） led_write
因为点亮led是输出数据，所以实际上用不上读操作，只有写操作。
ssize_t led_write(struct file * filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *f_ops){
if(copy_from_user(&led_value, buf, cnt))
return -efault;
led_gpio_set();
return 1;
}
void led_gpio_set(void){
iowrite32(led_value, baseaddr);
}
copy_from_user是linux内核从用户空间获得要写入led的数据。led_gpio_set函数中通过iowrite函数将用户空间的数据写入led。
3） led_release
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp){
iounmap(baseaddr);
release_mem_region(led_data, 0x10000);
return 0;
}
这个是在调用close函数的时候会调用这个函数来释放内存，解除led内存映射。
现在再来看初始化和驱动清除函数：
static void led_setup_dev(int index){
int err;
int devno;
devno=mkdev(led_major, index);
printk(mkdev devno %d/n, devno);
cdev_init(led_dev, &led_fops);
printk(cdev_init %d/n, devno);
led_dev->owner=this_module;
led_dev->ops=&led_fops;
err=cdev_add(led_dev, devno, 1);
if(err)
printk(kern_err error: %d adding led%d, err, index);
printk(success: add dev %d/n, devno);
}
static int __init led_init(void){
int result;
printk(init:------------/n);
result=alloc_chrdev_region(&led_devt, 0, 1, led);
led_major=major(led_devt);
if(result printk(kern_err error: allocate chrdev %d, led_devt);
return result;
}
printk(success: allocate chrdev %d/n, led_devt);
led_dev=cdev_alloc();
if(!led_dev){
printk(kern_err error: allocate device mem %d, led_devt);
result=-enomem;
goto fail_malloc;
}
printk(success: allocate device mem %d/n, led_devt);
led_setup_dev(0);
printk(success: init device %d/n, led_devt);
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(led_devt, 1);
return result;
}
static void __exit led_cleanup(void){
cdev_del(led_dev);
unregister_chrdev_region(led_devt, 1);
printk(success: exit device %d/n, led_devt);
}
led驱动初始化操作首先要为led_devt动态分配设备号，然后可以通过major来得到主设备号。这个主设备号在将字符设备添加到驱动中会用到。获得了设备号后就对led字符设备结构体led_dev分配空间，然后调用函数led_setup_sev完成对led设备的初始化，添加等。这些就是一般过程了。作为初学者，先会用，以后在驱动的调试中会深入去理解。
清除函数就是释放led字符设备空间。
2.3 led软件操作
现在来看如何在用户端操作led，上代码：
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[]){
int fd;
fd=open(/dev/led, o_rdwr);
if(fd printf(error: cannot open/n);
return 0;
}
int value=0xf;
write(fd, &value, 4);
//close(fd);
return 0;
}
open函数打开led字符设备，然后通过write函数来点亮led。
2.4 实验
首先加载led.ko：
图2.2 加载led驱动
ls查看/dev下发现并没有led文件，还需要通过mknod命令为其添加设备节点，我们才能在用户空间进行操作。但是如何知道主设备号呢？cat /proc/devices可以看到led的主设备号为245。完成led设备节点分配后，就看到/dev下有个文件led，这时候就可以通过在用户空间进行写操作了。
图2.3 查看led的主设备号
图2.4 分配设备节点
总结
本篇通过两个简单的驱动程序，介绍了驱动的基本结构，编写方法和编译过程。总结一下就是：通过init来进行设备的基本配置，和硬件配置，然后定义文件操作结构体，以及结构体中函数，通过open，read，write，release等函数来控制对led的读写操作。
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指纹触控技术的安全性能怎么样
什么是低代码
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脑洞大开的FPGA架构上的创新技术
基于Rivermax全IP解决方案加速一切流数据传输
典型的运动控制系统的架构设计分析
python运行程序出现红色空白
2020年通信投资策略：聚焦5G+云双主线
人工智能技术应用领域
通过几个方面来简单分析当下的传感器发展
djay Pro 2 加入人工智能算法，从此 DJ 的工作更加轻松
这么有颜值的机器人跟你成家，你愿意吗
分享一下用三极管搭恒流源的几种形式
1. hello world驱动
hello world几乎成了所有编程书的第一个程序，用来介绍程序的大体结构。一个简单的hello world让人感觉这本书学起来真的很容易，不知不觉就进入圈套。被诱导入坑的我，也来用一个hello world诱别人入坑。先上程序：
#include
#include
module_license(gpl v2);
static int hello_init(void){
printk(kern_info hello world/n);
return 0;
}
static void hello_exit(void){
printk(kern_info goodbye, cruel world/n);
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
一个驱动的使用过程包括：模块的装载，软件调用，模块卸载。程序中module_init和module_exit是内核中的宏，是一个驱动必须包含部分。当驱动被装载时，就会调用module_init指定的初始化函数hello_init，而当驱动被卸载时，就会调用hello_exit函数。初始化函数通常都是进行设备树检查，内存分配映射，硬件配置，文件和硬件关联等操作。清除函数用于释放内存，硬件的清零等操作。通常驱动还会定义一些文件io操作，比如write，read，ioctrl等。hello world只给出一个驱动编写格式和流程，文件操作在led驱动中再介绍。module_lisence用于告诉内核该模块采用的许可证类型，这个一般和linux内核采用
的许可证一致就好了。
现在来看驱动模块是如何编译的，看makefile：
obj-m:=hello.o
arch=arm
cross_compile=arm-xilinx-linux-gnueabi-
cc:=$(cross_compile)gcc
ld:=$(cross_compile)ld
kerneldir:=/home/anpingbo/design/linux/linux-xlnx
pwd:=$(shell pwd)
all:
make -c $(kerneldir) m=$(pwd) modules
如果我们要构造的模块名称为hello.ko，那么就需要指定obj-m为hello.o，这个是hello.ko生成的依赖选项。是在zynq平台上编译模块，需要制定arch类型为arm，以及交叉编译工具，如果使用本机linux系统默认gcc就不能在zynq平台下加载模块，这里的交叉工具链为arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc，arm-xilinx-linux-gnueabi-ld是交叉连接器，把程序链接成可以在arm平台运行的模块。同时还需要制定内核系统文件夹，因为模块编译要用到内核的库。all下就是编译模块了。设置好交叉工具的环境变量后，直接执行make，机会生成hello.ko，这个就是编译好的驱动模块。
图1.1 编译hello驱动过程
我们打开zynq系统，加载hello.ko，加载使用insmod命令，卸载使用rmmod命令。我们发现没有打印出任何信息，这是不是模块编译有错误，其实模块没有错误，流程也都对。因为printk打印函数是有级别的，只有低于这个级别值才能打印到terminal中。我们可以修改内核级别，比如我们将级别降低：
echo 8 > /proc/sys/kernel/printk
我们还可以使用dmesg来查看驱动打印的日志。其会打印所有驱动加载和卸载的打印日志。
图1.2 insmod hello.ko
2. led驱动
2.1 vivado工程
我们通过axi_gpio来连接4个led灯，通过linux驱动来点亮led灯。block如图2.1，我们设置gpio宽度为4。还有一个我们需要用到的就是led映射到的内存，可以在address editor中看到，gpio0是led的。接下来就是一般的流程，管脚约束，综合，编译。然后导出工程，打开sdk，新建fsbl，编译，生成设备树，制作boot.bin。
图2.1 led硬件工程
2.2 led驱动
led属于字符类驱动，符合字符类驱动的写法。linux内核中每个模块实际上是以文件形式存在的，这些文件存放于/dev目录下。而不同的驱动模块具有不同的主设备号和次设备号。主设备号用于区别不同的驱动，而次设备号用于更具体的指向驱动指向的设备。设备号就相当于门牌号，用于唯一区别不同驱动。编写驱动过程中就需要为驱动分配设备号。现在进一步分析led驱动代码：
#define led_data 0x41200000
#define led_ctrl 0x41200004
这两行定义了led数据控制寄存器和数据读写寄存器的内存地址。实际上驱动对led硬件的配置和读写都是通过配置其寄存器实现的。具体要看gpio的硬件信息。
dev_t led_devt;
void __iomem *baseaddr;
dev_t定义了设备编号，__iomem定义了linux内核的存储指针。硬件的内存需要映射到linux内核空间才能操作。在使用和配置led时，需要先将其物理内存映射到linux内核的内存空间。映射函数ioremap就是专门用于io端口内存映射的。
static int led_major=25;
struct cdev *led_dev;
int led_value;
上述定义了一个led主设备号。通过ls –l命令可以查看/dev下驱动的设备号。当然这是一种不方便的方式，正常情况下设备号也可以自动分配。cdev是字符设备的结构体，定义如下：
struct cdev {
struct kobject kobj; // 内嵌的kobject对象
struct module *owner; // 所属模块
const struct file_operations *ops; // 文件操作结构体
struct list_head list; //linux内核所维护的链表指针
dev_t dev; //设备号
unsigned int count; //设备数目
};
文件操作结构体实际上提供了软件操作led的接口，上文讲过驱动都被映射成/dev下的一个文件，软件调用驱动的时候，以打开，读写，关闭对应设备文件来进行操控。我们看一下led驱动中的文件结构：
struct file_operations led_fops={
.owner=this_module,
.read=led_read,
.write=led_write,
.unlocked_ioctl=led_ioctl,
.open=led_open,
.release=led_release,
};
其中包含了文件应该有的四种基本操作open, read, write, release实际上是close。文件结构体还提供了ioctrl函数，这个函数为软件提供了一种更为灵活的操纵底层硬件的方法。
接下来对文件结构体中的每个函数进行分析。
1） led_open
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
struct resource *res;
int reg;
printk(begin: open led/n);
filp->private_data=inode->i_cdev;
res=request_mem_region(led_data, 0x10000, led);
if(!res){
printk(failed requesting resource/n);
return 0;
}
printk(begin: remap led/n);
baseaddr=ioremap(led_data, 0x10000);
if(!baseaddr){
printk(error: couldn't allocate baseaddr/n);
return 0;
}
printk(baseaddr is %x/n, baseaddr);
printk(begin: read led/n);
reg=ioread32(baseaddr);
printk(begin: write led %d/n, reg);
reg &= 0xfffffff0;
iowrite32(reg, baseaddr+4);
printk(success: gpio init/n);
return 0;
}
内核用inode结构在内部表示文件，inode结构中包含了大量有关文件的信息。当我们在linux中创建一个文件时，就会在相应的文件系统创建一个inode与之对应。文件实体和文件的inode是一一对应的。当打开文件时，就获得了inode。通过inode可以获得字符设备结构体i_cdev。inode在驱动开发中很少进行填充，通常都是用于查看。在使用led时，需要为其分配内存，首先通过函数request_mem_region来看是否有空闲linux内核内存可分配，如果可以就通过ioremap进行分配，返回linux内存首地址。之后读写led的时候就可以通过向这个地址写数据来控制led了。iowrite32(reg, baseaddr+4)是在配置led，使能了led。
2） led_write
因为点亮led是输出数据，所以实际上用不上读操作，只有写操作。
ssize_t led_write(struct file * filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *f_ops){
if(copy_from_user(&led_value, buf, cnt))
return -efault;
led_gpio_set();
return 1;
}
void led_gpio_set(void){
iowrite32(led_value, baseaddr);
}
copy_from_user是linux内核从用户空间获得要写入led的数据。led_gpio_set函数中通过iowrite函数将用户空间的数据写入led。
3） led_release
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp){
iounmap(baseaddr);
release_mem_region(led_data, 0x10000);
return 0;
}
这个是在调用close函数的时候会调用这个函数来释放内存，解除led内存映射。
现在再来看初始化和驱动清除函数：
static void led_setup_dev(int index){
int err;
int devno;
devno=mkdev(led_major, index);
printk(mkdev devno %d/n, devno);
cdev_init(led_dev, &led_fops);
printk(cdev_init %d/n, devno);
led_dev->owner=this_module;
led_dev->ops=&led_fops;
err=cdev_add(led_dev, devno, 1);
if(err)
printk(kern_err error: %d adding led%d, err, index);
printk(success: add dev %d/n, devno);
}
static int __init led_init(void){
int result;
printk(init:------------/n);
result=alloc_chrdev_region(&led_devt, 0, 1, led);
led_major=major(led_devt);
if(result printk(kern_err error: allocate chrdev %d, led_devt);
return result;
}
printk(success: allocate chrdev %d/n, led_devt);
led_dev=cdev_alloc();
if(!led_dev){
printk(kern_err error: allocate device mem %d, led_devt);
result=-enomem;
goto fail_malloc;
}
printk(success: allocate device mem %d/n, led_devt);
led_setup_dev(0);
printk(success: init device %d/n, led_devt);
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(led_devt, 1);
return result;
}
static void __exit led_cleanup(void){
cdev_del(led_dev);
unregister_chrdev_region(led_devt, 1);
printk(success: exit device %d/n, led_devt);
}
led驱动初始化操作首先要为led_devt动态分配设备号，然后可以通过major来得到主设备号。这个主设备号在将字符设备添加到驱动中会用到。获得了设备号后就对led字符设备结构体led_dev分配空间，然后调用函数led_setup_sev完成对led设备的初始化，添加等。这些就是一般过程了。作为初学者，先会用，以后在驱动的调试中会深入去理解。
清除函数就是释放led字符设备空间。
2.3 led软件操作
现在来看如何在用户端操作led，上代码：
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[]){
int fd;
fd=open(/dev/led, o_rdwr);
if(fd printf(error: cannot open/n);
return 0;
}
int value=0xf;
write(fd, &value, 4);
//close(fd);
return 0;
}
open函数打开led字符设备，然后通过write函数来点亮led。
2.4 实验
首先加载led.ko：
图2.2 加载led驱动
ls查看/dev下发现并没有led文件，还需要通过mknod命令为其添加设备节点，我们才能在用户空间进行操作。但是如何知道主设备号呢？cat /proc/devices可以看到led的主设备号为245。完成led设备节点分配后，就看到/dev下有个文件led，这时候就可以通过在用户空间进行写操作了。
图2.3 查看led的主设备号
图2.4 分配设备节点
总结
本篇通过两个简单的驱动程序，介绍了驱动的基本结构，编写方法和编译过程。总结一下就是：通过init来进行设备的基本配置，和硬件配置，然后定义文件操作结构体，以及结构体中函数，通过open，read，write，release等函数来控制对led的读写操作。
英特尔希望在2024年超越其芯片制造竞争对手
几种常用电阻的结构和特点
充电五分钟通话两小时是真的吗？详解VOOC闪充技术
趣立科技发布新一代6DoF VR参考设计样机——“骐骥
PCB设计中加强防干扰能力怎样可以加强
linux驱动编写：从hello world到 LED驱动
指纹触控技术的安全性能怎么样
什么是低代码
全球最快4G LTE-Advanced网络，峰值速率达300Mb/s
全新一代Jeep指南者将于11月18日广州车展国产正式亮相,预售价17万-22万元之间
脑洞大开的FPGA架构上的创新技术
基于Rivermax全IP解决方案加速一切流数据传输
典型的运动控制系统的架构设计分析
python运行程序出现红色空白
2020年通信投资策略：聚焦5G+云双主线
人工智能技术应用领域
通过几个方面来简单分析当下的传感器发展
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