linux驱动篇-Platformbus

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2019-10-13

Platformbus

前言

在嵌入式行业,有很多从业者。我们工作的主旋律是拿开源代码,拿厂家代码,完成产品的功能,提升产品的性能,进而解决各种各样的问题。或者是维护一个模块或方向,一搞就是好几年。

时间长了,笔者发现我们对从零开始编写驱动、应用、算法、系统、协议、文件系统等缺乏经验。没有该有的广度和深度。笔者也是这样,工作了很多年,都是针对某个问题点修修补补或者某个模块的局部删删改改。很少有机会去独自从零开始编写一整套完整的代码。

当然,这种现状对于企业来说是比较正常的,可以降低风险。但是对于员工本身,如果缺乏必要的规划,很容易工作多年却还是停留在单点的层面,而丧失了提升到较高层面的机会。随着时间的增长很容易丧失竞争力。

另外,根据笔者的经验,绝大多数公司对于0-5年经验从业者的定位主要是积极的问题解决者。而对于5-10经验从业者的定位主要是积极的系统规划者和引领者。在这种行业规则下,笔者认为,每个从业者都应该问自己一句,“5年后,我是否具备系统化把控软件的能力呢?”。

当前的这种行业现状,如果我们不做出一点改变,是没有办法突破的。有些东西,仅仅知道是不够的,还需要深思熟虑的思考和必要的训练,简单来说就是要知行合一。

也许有读者会有疑惑?这不就是重复造轮子么?我们确实是在重复造轮子,因为别人会造轮子那是别人的能力,我们自己会造轮子是我们自己的能力。在行业中,有太多的定制化需求是因为轮子本身有原生性缺陷,我们无法直接使用,或者需要对其进行改进,或者需要抽取开源代码的主体思想和框架,根据公司的需要定制自己的各项功能。设想,如果我们具备这种能力,必然会促使我们在行业中脱颖而出,而不是工作很多年一直在底层搬砖。底层搬砖没什么不好,问题是当有更廉价更激情的劳动力涌进来的时候,我们这些老的搬砖民工也就失去了价值。我们不会天天重复造轮子,我们需要通过造几个轮子使得自己具备造轮子的能力,从而更好的适应这个环境,适应这个世界。

针对当前行业现状,笔者经过深思熟虑,想为大家做点实实在在的事情,希望能够帮助大家在巩固基础的同时提升系统化把控软件的能力。当然,笔者的水平也有限,有些观点也只是一家之谈,希望大家独立思考,谨慎采用,如果写的有错误或者不对的地方还请读者们批评斧正,我们一起共同进步。

在这里简单介绍下笔者,笔者现在就职于一家大型国际化公司,工作经验6年,硕士毕业。曾经担任过组内的项目主管,项目经理,也曾经组建过新团队,带领大家冲锋陷阵。在工作中,有做的不错的地方,也有失误的地方,有激情的时刻,也有失落的时刻。现在偏安一隅,专心搞技术,目前个人规划的技术方向是嵌入式和AI基础设施建设,以及嵌入式和AI的融合发展。

最后,说了这么多,笔者希望,在未来的日子里和未知的领域里,你我同行,为我们的美好生活而努力奋斗。

总体目标

本篇文章的目标是介绍如何从自顶向下从零编写linux下的platformbus驱动。着力从总体思路,需求端,分析端,实现端,详尽描述一个完整需求的开发流程,是笔者多年经验的提炼,希望读者能够有所收获。最后的实战目标,请读者尽量完成,这样读者才能形成自己的思路。

本示例采用arm920架构,天祥电子生产的tx2440a开发板,核心为三星的s3c2440。Linux版本为2.6.31,是已经移植好的版本。编译器为arm920t-eabi-4.1.2.tar。

总体思路

总体思路是严格遵循需求的开发流程来,不遗漏任何思考环节。读者在阅读时请先跟笔者的思路走一遍,然后再抛弃笔者的思路,按照自己的思路走一遍,如果遇到困难请先自己思考,实在不会再来参考笔者的思路和实现。

笔者在写代码的的总体思路如下:
需求描述—能够详细完整的描述一个需求。
需求分析—根据需求描述,提取可供实现的功能,需要有定量或者定性的指标。(从宏观上确定需要什么功能)。
需求分解—根据需求分析,考虑要实现需求所需要做的工作(根据宏观确定的功能,拆分成小的可单独实现的功能)。
编写思路—根据需求分解从总体上描述应该如何编写代码,(解决怎么在宏观上实现)。
详细步骤—根据编写思路,落实具体步骤,(解决怎么在微观上实现)。
编写框架—根据编写思路,实现总体框架(实现编写思路里主体框架,细节内容留在具体代码里编写)。
具体代码—根据编写框架,编写每一个函数里所需要实现的小功能,主要是实现驱动代码,测试代码
Makefile—用来编译驱动代码
目录结构—用来说明当完成编码后的结果
测试步骤—说明如何对驱动进行测试,主要是加载驱动模块,执行测试代码
执行结果—观察执行结果是否符合预期
结果总结—回顾本节的思路,知识点,api,结构体
实战目标—说明如何根据本文档训练

需求描述

使用platformbus提供的接口来点亮和熄灭led灯3,写1时点亮,写0时熄灭。(总共4个led灯,0,1,2,3)

需求分析

使用platformbus总线来管理led设备和led驱动,需要具备以下功能:
1注册和卸载led设备(包括led相关资源和处理函数)
2注册和卸载led驱动
3提供可供操作的设备节点
4当输入为参数为1时点亮led,当输入参数为0时熄灭led灯

需求分解

分析完需求后,可以确定编写代码的目标。
1编写platform_dev.c以注册和卸载led设备
2编写platform_drv.c以注册和卸载led驱动
3编写platform_test.c以测试led设备和led驱动是否正常工作

编写思路

本示例需要将设备和驱动分开编写,设备文件(platform_dev.c)主要用来提供资源和注册资源;驱动文件(platform_drv.c)主要用来使用资源,控制硬件,向用户返回数据。思路如下:
1注册和卸载platform_device类型的led设备(在platform_dev.c里)
1.1拷贝头文件,编写和修饰入口函数和出口函数,声明许可证
1.2在入口函数中注册platform_device类型的led设备
1.2.1定义led设备
1.2.2定义led设备资源
1.2.3定义led设备需要的release函数
1.3在出口函数中卸载platform_device类型的led设备

2注册和卸载platform_driver类型的led驱动(在platform_drv.c里)
2.1拷贝头文件,编写和修饰入口函数和出口函数,声明许可证
2.2在入口函数中注册platform_driver类型的led驱动
2.2.1定义platform_driver类型的led驱动
2.2.2定义probe函数和remove函数
2.2.3 编写probe函数
2.2.3.1获取资源
2.2.3.2注册字符设备及操作函数
2.2.3.3提供可操作的设备节点
2.2.4编写remove函数(卸载字符设备,释放资源)
2.3在出口函数中卸载platform_driver类型的led驱动

详细步骤

根据需求分析的结果来考虑如何实施,主要是考虑在哪一步做什么具体的工作
1创建两个文件用来生成两个模块,platform_drv.c(存放led操作函数),platform_dev.c(存放led设备及资源);创建Makefile文件来编译模块;创建platform_test.c存放测试代码;创建platform_dev_skeleton.c和platform_drv_skeleton.c只是用来搭建框架和理顺思路。

2编写platform_dev.c。
2.1编写代码框架:头文件,入口函数,出口函数,声明LICENSE为GPL
2.2在入口函数中注册led设备,类型为struct platform_device
2.2.1定义并led设备,类型为struct platform_device
2.2.2填充led设备,放入设备名字,设备id,设备资源,资源个数,release函数
2.2.3定义设备资源数组,类型为struct resource,放入内存资源和中断资源
2.3在出口函数中卸载platform_device类型的led设备

3编写platform_drv.c
3.1编写代码框架:头文件,入口函数,出口函数,声明LICENSE为GPL
3.2在入口函数中注册platform_driver类型的led驱动结构体
3.2.1定义struct platform_driver类型的led驱动
放入名字,probe函数,remove函数等
3.2.2定义probe函数
获取内存资源和引脚号资源;映射寄存器
注册字符设备
创建设备类;创建设备节点
3.2.3定义remove函数
卸载字符设备
卸载设备节点;销毁类
释放资源
3.2.4定义struct file_operations结构体,编写对应的函数
3.2.5定义open函数
根据引脚号配置gpio管脚为输出模式
3.2.6定义write函数
获取用户空间数据,控制寄存器来控制gpio管脚的低和高
如果用户写1,点亮led,写0,熄灭led
3.3在出口函数中卸载platform_driver类型的led驱动结构体

编写框架

首先编写总体框架代码,先将总体的结构搭建起来,然后再在框架代码里编写比较具体的代码,platform_dev_skeleton.c和platform_dev_skeleton.c只是用来参考,主要说明一般写代码时是如何先搭建框架再写细节代码的。

Platform_dev_skeleton.c
/* 本文件是依照platformbus驱动<编写思路>章节编写,本文件
  * 的目的是编写代码框架,不做具体细节的编写
  */
/* 本头文件是linux2.6.31内核所提供的,其他版本按需调整 */
/* 1.1拷贝头文件,编写和修饰入口函数和出口函数,声明许可证 */
#include <linux/module.h>
#include <linux/version.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <linux/platform_device.h>

/*所要用的内存资源和gpio引脚号资源,按需添加*/
/* 1.2.2定义led设备资源 */
static struct resource plat_led_resource[] = {
       [0] = {
       },
       [1] = {
       },    
};
/*按需添加*/
/* 1.2.3定义led设备需要的release函数 */
static void plat_led_dev_release(struct device *dev)
{
}
 
/*核心数据结构,资源结构体*/
/* 1.2.1定义led设备 */
static struct platform_device plat_led_dev = {
       .name = "plat_led_dev",
       .id = -1,
       .resource = &plat_led_resource,
       .num_resources = ARRAY_SIZE(plat_led_resource),
       .dev = {
              .release = plat_led_dev_release,
       }
};
 
/*入口函数*/
/* 1.2在入口函数中注册platform_device类型的led设备 */
static int led_dev_init(void)
{
       platform_device_register(&plat_led_dev);
       return 0;
}

/*出口函数*/
/* 1.3在出口函数中卸载platform_device类型的led设备 */
static void led_dev_exit(void)
{
       platform_device_unregister(&plat_led_dev);
}
 
/* 1.1拷贝头文件,编写和修饰入口函数和出口函数,声明许可证 */
module_init(led_dev_init);
module_exit(led_dev_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL");
platform_drv_skeleton.c
/* 本文件是依照platformbus驱动<编写思路>章节编写,本文件
  * 的目的是编写代码框架,不做具体细节的编写
  */
/* 本头文件是linux2.6.31内核所提供的,其他版本按需调整 */
/* 2.1拷贝头文件,编写和修饰入口函数和出口函数,声明许可证 */
#include <linux/module.h>
#include <linux/ioport.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <linux/serial.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <mach/hardware.h>
#include <mach/regs-gpio.h>
#include <mach/gpio-fns.h>
#include <plat/regs-serial.h>
#include <linux/input.h>
 
/* 加载驱动时并且和已有的dev匹配时执行probe函数 */
/* 2.2.2定义probe函数和remove函数 */
/* 2.2.3 编写probe函数*/
static int plat_led_drv_probe(struct platform_device *dev)
{
    /* 
     * 2.2.3.1获取资源
     * 2.2.3.2注册字符设备及操作函数
     * 2.2.3.3提供可操作的设备节点
     */
    return 0;
 
}
/*断开连接时执行,和probe动作相反*/
/* 2.2.4编写remove函数(卸载字符设备,释放资源) */
static int plat_led_drv_remove(struct platform_device *dev)
{

}

/* 核心结构体*/
/* 2.2.1定义platform_driver类型的led驱动 */
static struct platform_driver plat_led_drv = {
    .driver = {
        .name = "plat_led_dev",
    },
    .probe = plat_led_drv_probe,
    .remove = plat_led_drv_remove,
};

/* 2.2在入口函数中注册platform_driver类型的led驱动 */
static int plat_led_drv_init(void)
{
    platform_driver_register(&plat_led_drv);
    return 0;
}

/* 2.3在出口函数中卸载platform_driver类型的led驱动 */
static void plat_led_drv_exit(void)
{
    platform_driver_unregister(&plat_led_drv);
}

/* 2.1拷贝头文件,编写和修饰入口函数和出口函数,声明许可证 */
module_init(plat_led_drv_init);
module_exit(plat_led_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

驱动代码

Platform_dev.c和platform_drv.c是驱动的核心代码,也是需要生成的.ko文件。测试代码在操作led时就需要这两个文件。

Platform_dev.c
/* 本文件是依照platform驱动<详细步骤>章节编写,本文件
 * 的目的是编写和介绍具体代码,不介绍框架
 */
 
/* 本头文件是linux2.6.31内核所提供的,其他版本按需调整 */

/* 2.1编写代码框架:头文件,入口函数,出口函数,声明LICENSE为GPL */
#include <linux/module.h>
#include <linux/version.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <linux/platform_device.h>

/* 2.2.3定义设备资源数组,类型为struct resource,放入内存资源和中断资源 */
static struct resource plat_led_resource[] = {
    [0] = {
          .start = 0x56000050,
          .end   = 0x56000050 + 8 - 1,
          .flags = IORESOURCE_MEM,
    },
    [1] = {
          .start = 3,
          .end   = 3,
          .flags = IORESOURCE_IRQ,
    },    
};
static void plat_led_dev_release(struct device *dev)
{
    printk("welcome to platform bus world of led\n");
}
 
/* 2.2.1定义并led设备,类型为struct platform_device */
/* 2.2.2填充led设备,放入设备名字,设备id,设备资源,资源个数,release函数 */
static struct platform_device plat_led_dev = {
    .name = "plat_led_dev",
    .id = -1,
    .resource = &plat_led_resource,
    .num_resources = ARRAY_SIZE(plat_led_resource),
    .dev = {
        .release = plat_led_dev_release,
    }
};
/* 2.2在入口函数中注册led设备,类型为struct platform_device */
static int led_dev_init(void)
{
    platform_device_register(&plat_led_dev);
    return 0;
}

/* 2.3在出口函数中卸载platform_device类型的led设备 */
static void led_dev_exit(void)
{
    platform_device_unregister(&plat_led_dev);
}

/* 2.1编写代码框架:头文件,入口函数,出口函数,声明LICENSE为GPL */
module_init(led_dev_init);
module_exit(led_dev_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL");
Platform_drv.c
/* 本文件是依照platform驱动<详细步骤>章节编写,本文件
 * 的目的是编写和介绍具体代码,不介绍框架
 */
 
/* 本头文件是linux2.6.31内核所提供的,其他版本按需调整 */

/* 3.1编写代码框架:头文件,入口函数,出口函数,声明LICENSE为GPL */
#include <linux/module.h>
#include <linux/ioport.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <linux/serial.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <mach/hardware.h>
#include <mach/regs-gpio.h>
#include <mach/gpio-fns.h>
#include <plat/regs-serial.h>
#include <linux/input.h>
 
 
static struct class * plat_leddrv_cls;
static struct class_device      * plat_leddrvcls_device;
volatile unsigned long *gpfcon = NULL;
volatile unsigned long *gpfdat = NULL;
int major = 0;
int pin = 0;

/* 3.2.5定义open函数,根据引脚号配置gpio管脚为输出模式 */ 
static int plat_led_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    /* 配置GPF3为输出 */
    *gpfcon &= ~(0x3<<(pin*2));
    *gpfcon |= (0x1<<(pin*2));
    return 0;
}

/* 根据引脚号配置gpio管脚为输出模式 */
static ssize_t plat_led_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{
    int val;
    /* 获取用户空间数据,控制寄存器来控制gpio管脚的低和高 */
    copy_from_user(&val, buf, count); //  copy_to_user();

    /* 如果用户写1,点亮led,写0,熄灭led */
    if (val == 1)
    {
        // 点灯
        *gpfdat &= ~((1<<pin));
    }
    else
    {
        // 灭灯
        *gpfdat |= (1<<pin);
    }
    return 0;
}
 
/* 3.2.4定义struct file_operations结构体,编写对应的函数 */
static struct file_operations plat_led_drv_fops = {
    .owner  = THIS_MODULE,    
    .open   = plat_led_drv_open,    
    .write  = plat_led_drv_write,   
};

/* 3.2.2定义probe函数 */
static int plat_led_drv_probe(struct platform_device *dev)
{
    /* 1 获取内存资源和中断资源(这里是把gpio管脚号当做了中断资源) */
    struct resource * res;
    res = platform_get_resource(dev,IORESOURCE_MEM,0);
    /* 2 映射gpio管脚f组的控制寄存器和数据寄存器 */
    gpfcon = (volatile unsigned long *)ioremap(res->start, res->end - res->start + 1);
    gpfdat = gpfcon + 1;
    res = platform_get_resource(dev,IORESOURCE_IRQ,0);
    pin = res->start;

    /* 3 注册字符设备 */
    major = register_chrdev(0, "plat_led_drv", &plat_led_drv_fops); // 注册, 告诉内核
    /* 4 创建设备类;创建设备节点 */
    plat_leddrv_cls = class_create(THIS_MODULE, "plat_led_drv");
    plat_leddrvcls_device = device_create(plat_leddrv_cls, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "plat_led"); /* /dev/xyz */

    return 0;

}

/* 3.2.3定义remove函数 */
static int plat_led_drv_remove(struct platform_device *dev)
{
    /* 主要是和出口函数的反向操作
    * 1 卸载字符设备
    * 2 卸载class下的设备
    * 3 销毁这个类
    * 4 取消地址映射
    */
    unregister_chrdev(major, "plat_led_drv"); // 卸载
    /* 2.6.31 上只有device_create 其他版本内核可能有class_device_create */
    device_unregister(plat_leddrvcls_device);
    class_destroy(plat_leddrv_cls);
    iounmap(gpfcon);
}
 
/* 3.2.1定义struct platform_driver类型的led驱动 */ 
static struct platform_driver plat_led_drv = {
    .driver = {
          .name = "plat_led_dev",
    },
    .probe = plat_led_drv_probe,
    .remove = plat_led_drv_remove,
};
/*  */
/* 3.2在入口函数中注册platform_driver类型的led驱动结构体 */ 
static int plat_led_drv_init(void)
{
    platform_driver_register(&plat_led_drv);
    return 0;
}

/* 3.3在出口函数中卸载platform_driver类型的led驱动结构体 */
static void plat_led_drv_exit(void)
{
    platform_driver_unregister(&plat_led_drv);
}

/* 3.1编写代码框架:头文件,入口函数,出口函数,声明LICENSE为GPL */
module_init(plat_led_drv_init);
module_exit(plat_led_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

测试代码

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

int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd;
    int val = 1;
    fd = open("/dev/plat_led", O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        printf("can't open!\n");
    }
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage :\n");
        printf("%s <on|off>\n", argv[0]);
        return 0;
    }
    if (strcmp(argv[1], "on") == 0)
    {
        val  = 1; //点灯
    }
    else
    {
        val = 0;   //灭灯
    }

    write(fd, &val, 4);
    return 0;
}

Makefile

KERN_DIR =  /home/linux/tools/linux-2.6.31_TX2440A
 
all:
       make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
clean:
       make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
       rm -rf modules.order
obj-m   += platform_drv.o
obj-m   += platform_dev.o

目录结构

xxx@xxx:~/nfs/440/201903-train/09platformbus$ tree
.
├── Makefile
├── platform
├── platform_dev.c
├── platform_dev_skeleton.c
├── platform_drv.c
├── platform_drv_skeleton.c
└── platform_test.c

测试步骤

0 在linux下的makefile +180行处配置好arch为arm,cross_compile为arm-linux-(arm-angstrom-linux-gnueabi-)
1 在menuconfig中配置好内核源码的目标系统为s3c2440
2 在pc上将驱动程序编译生成.ko,命令:make
3 在pc上将测试程序编译生成elf可执行文件,命令:arm-linux-gcc -o -o platform platform_test.c
4 挂载nfs,这样就可以在开发板上看到pc端的.ko文件和测试文件
mount -t nfs -o nolock,vers=2 192.168.0.105:/home/linux/nfs_root /mnt/nfs

执行结果

[root@TX2440A 09platformbus]# ./platform on
执行后,LED3被点亮
[root@TX2440A 09platformbus]# ./platform off
执行后,LED3被熄灭
Platformbus的驱动和不带platform的驱动有异曲同工的效果。

结果总结

在本篇文章中,笔者跟读者分享了platformbus驱动的编写思路和方法,其中贯穿始终的有几个函数和关键数据结构,它们分别是:
platform_device_register
platform_device_unregister
platform_driver_register
platform_driver_unregister
platform_get_resource

struct platform_device
struct resource
struct platform_driver
请读者尽力去了解这些函数的作用,入参,返回值。

实战目标

1请读者根据《需求描述》章节,独立编写需求分析和需求分解。
2请读者根据需求分析和需求分解,独立编写编写思路和详细步骤。
3请读者根据编写思路,独立写出编写框架。
4请读者根据详细步骤,独立编写驱动代码和测试代码。
5请读者根据《Makefile》章节,独立编写Makefile。
6请读者根据《测试步骤》章节,独立进行测试。
7请读者抛开上述练习,自顶向下从零开始再编写一遍驱动代码,测试代码,makefile
8如果无法独立写出7,请重复练习1-6,直到能独立写出7。

参考资料

《TX2440开发手册及代码》
《linux设备驱动开发详解》

致谢

感谢在嵌入式领域深耕多年的前辈,感谢笔者的家人,感谢读者。没有前辈们的开拓,我辈也不能站在巨人的肩膀上看世界;没有家人的鼎力支持,我们也不能集中精力完成自己的工作;没有读者的关注,我们也没有充足的动力来编写和完善文章。希望读者学到的不仅仅是如何编写代码,更进一步能够学到一种思路和一种方法。

笔者后续有计划按照本模板编写linux下的常见驱动,敬请读者关注。

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作者:Eric_d397