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ZedBoard学习手记(五)为自定义外设编写Linux驱动

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    [LV.8]以坛为家I

    发表于 2013-12-30 22:03:33 |显示全部楼层
    经过前面的工作,现在终于可以开始为自定义外设编写驱动了。首先声明兔子不是搞软件的,而是个硬件工程师,有时候也肩负起逻辑的工作,因而做的有问题的地方还需要童鞋们指出,共同进步啊。其实Linux驱动程序与一般的单片机C程序差别不大,只是在调用硬件设备的同时,实现了一个与操作系统的标准接口,只要完成了驱动部分,上层软件就能通过Linux系统的标准接口来访问设备,而不用关心寄存器等具体的硬件问题。
    不过为了让不熟悉驱动和软件的同学不至于一头雾水,就稍稍做些普及工作吧。
    下面是一个简单的驱动模块:
    #include

    #include
    MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
    static int hello_init(void)
    {
    printk("Module init complete!");
    return 0;
    }
    static void hello_exit(void)
    {
    printk("Module exit!");
    }
    module_init(hello_init);
    module_exit(hello_exit);
    MODULE_AUTHOR("Nightmare@EEFOCUS");
    MODULE_DESCRIPTION("HelloWorldDriver");
    MODULE_ALIAS("It's only a test");
    它为我们展现了驱动程序模块最基本的封装形式,init函数会在加载模块时执行,exit函数则在模块卸载时运行,在ZedBoard板上加载这个驱动,相应的字符串信息会通过串口打印出来。
    之前我们已经提到了,对自定义外设的访问实际就是操作特定的物理地址空间,但Linux系统直接操作物理空间缺乏可移植性也不安全,因此需要对这个物理地址空间映射到虚拟地址空间(具体应该是通过MMU实现的吧,留作疑问),转变成系统能够直接访问的空间。映射是通过ioremap实现的,这个函数定义在Linux内核的asm/io.h文件中。
    对设备进行映射的操作方法大体如下:
    static void __iomem *GPIO_Regs;
    GPIO_Regs = ioremap(MY_GPIO_PHY_ADDR, MY_GPIO_REG_NUM);
    printk("my_gpio: Access address to device is:0x%x", (unsigned int)GPIO_Regs);
    GPIO_Regs指针指向映射后的空间,通过ioremap函数,为I/O地址为MY_GPIO_PHY_ADDR的设备分配了MY_GPIO_REG_NUM大小的空间。映射后的虚拟地址将通过内核打印出来。
    当有了可以直接操作的地址后,通过iowrite32和ioread32就可以简单便捷地实现写入和读取数据的操作。
    int val;
    val = ioread32(GPIO_Regs);
    printk("my_gpio: Read 0x%x from switches, writing to LED...", val);
    iowrite32(val, GPIO_Regs+4);
    printk("OK!");
    执行上述代码,GPIO_Regs开头地址处的32位数据——自定义外设寄存器0,也就是Switch状态——会被读取,并写入到偏移4字节(32位)之后的地址中,即自定义外设的寄存器1,控制LED的状态。将这段代码加入到上面提到的init函数中,当驱动模块加载后,8个开关的电平状态会被读取,并在LED的8个管脚上输出,使LED亮灭与Switch开关保持一致。
    这就是通过对静态I/O地址(MY_GPIO_PHY_ADDR就是我们在前几篇中设置的my_gpio外设地址0x75c80000)映射的方式,让Linux系统有能力访问设备。那么Device Tree又是做什么用的呢,我曾就这个问题在网上询问一位国外的工程师,现将他的回答摘录如下:
    The standard way is to add an entry for your peripheral in Linux’ device tree, and have the driver fetch the physical address from there. But for a on-off project, hardcoding the physical address of the peripheral in the driver is fairly acceptable.

    事实上,在MicroBlaze中,就可以通过of_platform实现读取DeviceTree的compatible信息,来匹配设备和驱动:
    static struct of_device_id my_gpio_of_match[] __devinitdata = {
    { .compatible = "xlnx, my_gpio-1.00.a", },
    {}
    };
    只是兔子还没在Zynq平台上成功实现过,而项目的时间又那么紧,于是就采取了“acceptable”的方法了,哈哈。有兴趣的童鞋可以继续深究。
    当然,只实现对设备的访问还是不够的,这样的驱动,只有在加载或卸载时会执行一些操作,而无法被Linux下的应用程序访问。因此,我们还要完成一个对上层的接口,这需要利用Linux的文件系统。下面的两个结构体正是实现了这样的功能:
    static const struct file_operations my_gpio_fops =
    {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_gpio_open,
    .release = my_gpio_release,
    .read = my_gpio_read,
    .unlocked_ioctl = my_gpio_ioctl,
    };
    static struct miscdevice my_gpio_dev =
    {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = DEVICE_NAME,
    .fops = &my_gpio_fops,
    };
    兔子在这里定义了一个MISC型的设备,并为之建立了open、release、read和ioctl的方法,open和release是打开和释放设备的操作,这里并无实际功能。
    static int my_gpio_open(struct inode * inode , struct file * filp)
    {
    return 0;
    }
    static int my_gpio_release(struct inode * inode, struct file *filp)
    {
    return 0;
    }
    ioctl就是写寄存器操作的封装函数了,使用的方法依旧是iowrite32,其中reg_num代表寄存器编号,arg是要写入的32位值。
    static int my_gpio_ioctl(struct file *filp, unsigned int reg_num, unsigned long arg)
    {
    if(reg_num>=0 && reg_num
    {
    iowrite32(arg, GPIO_Regs+reg_num*4);
    printk("my_gpio: Write 0x%x to 0x%x!", arg, GPIO_Regs+reg_num*4);
    }
    else
    {
    printk("my_gpio:[ERROR] Wrong register number!");
    return -EINVAL;
    }
    return 0;
    }
    read方法则可以将读取到的数据传递给上层,由于其返回值为char型,因此要分几次读取(当然使用ioread32再拆分也可以啦)。
    static int my_gpio_read(struct file *filp, char *buffer, size_t length, loff_t * offset)
    {
    int bytes_read = 0;
    int i=0;
    if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
    return -EAGAIN;
    if (length>0 && length<=(MY_GPIO_REG_NUM*4))
    {
    for(i=0;i
    {
    *(buffer+i)=(char)ioread8(GPIO_Regs+i);
    }
    bytes_read=i;
    }
    return bytes_read;
    }
    再使用misc_register函数对设备进行注册:
    int ret;
    ret = misc_register(&my_gpio_dev);
    设备注册后,会在dev目录下生成一个以DEVICE_NAME值命名的文件(兔子这里是“my_gpio_dev”)。操作这个文件,就相当于操作我们的设备了,具体使用的也就是文件操作的open、close、read等函数。驱动写完后,还需要进行编译,兔子写了一个简单的Makefile文件,用于生成可被系统加载的.ko文件,在源文件和Makefile的目录下输入 make 指令即可。KERN_SRC指的则是linux内核的路径。Makefile内容如下:
    # Cross compiler makefile for my_gpio
    # By Nightmare @ EEFOCUS 2012-10-10
    KERN_SRC=/arm/zed/linux-3.3-digilent
    obj-m := my_gpio.o
    all:
    make -C $(KERN_SRC) ARCH=arm M=`pwd` modules
    clean:
    make -C $(KERN_SRC) ARCH=arm M=`pwd=` clean
    下面是完整的驱动代码、Makefile文件和生成的.ko模块文件:
    My_GPIO_Driver (已重传)
    将编译好的驱动文件通过U盘加载到ZedBoard中:
    mount /dev/sda2 /mnt
    insmod /mnt/my_gpio.ko
    卸载驱动的指令为rmmod:
    rmmod my_gpio
    加载设备时,LED会根据Switch的状态来实现亮灭。怎么样,Linux下的自定义外设驱动其实挺简单吧。上效果图:

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