驱动开发的完善 --- 芯片手册导读 + I/O口操控代码的编写
发布时间：2023年12月22日
在我上上节的博文中（linux驱动的学习 & 驱动开发初识-CSDN博客）：
????????我通过一个基本的字符设备驱动框架来测试了驱动的运行，但是在“pin4_open”和“pin4_write”这两个驱动函数的函数体里只写了一句内核打印的代码，作为一个真正的驱动文件这显然是不够的。
? ? ? ? 同时，在之前的博文中就提到过，驱动位于内核态的最底层，其下方就直接是硬件，所以驱动函数的目标就是直接操控硬件，也就是直接操控寄存器。在我的pin4驱动函数中应该添加的也就是根据函数功能，操作寄存器从而实现I/O口操控的代码。
目录
BCM2835芯片手册导读?
明确了目标后，就产生了这个问题：我怎么知道应该使用哪些寄存器，又应该怎么使用呢？
答案是根据开发平台的芯片手册/电路图来找到具体的描述，由于我是在树莓派3B+上玩驱动的开发，所以我应该查阅这款树莓派的芯片，也就是BCM2835的芯片手册。
此处我只使用了芯片手册就定位了寄存器，而没有用电路图，原因是树莓派的这个芯片手册已经把用什么寄存器写的很清楚了
但是，芯片手册有几百页，不可能通篇细读，所以这就需要根据我想要查看的内容来锁定具体的范围，我现在写的是GPIO-->pin4的驱动代码，所以显然应该定位到GPIO章节：
- 在P90/91页，介绍了GPIO相关的共41个寄存器，每个寄存器有32个bit：
- 在P92页中，对于“GPFSELn”系列寄存器的介绍中的Table 6-2：
由于设置的是pin4，所以应该使用GPFSEL0寄存器
可见，GPFSEL0寄存器中的14，13，12位对应FSEL4寄存器，给这三位赋不同的值对应的就是pin4的不同模式。
- 在P95页中，对于“GPSET0”和“GPSET1”两个置位寄存器描述的两个表格中：
（对此寄存器写0无效；且如果GPIO被设置成输入模式则此寄存器无效）
由于设置的是pin4，所以应该使用GPSET0寄存器
- 对于GPSET0寄存器，如果将其第4位（SET4）置1，则代表将pin4置位（置1）
- ?在P95/96页中，对于“GPCLR0”和“GPCLR1”两个清0寄存器描述的两个表格中：
（对此寄存器写0无效；且如果GPIO被设置成输入模式则此寄存器无效）
由于设置的是pin4，所以应该使用GPCLR0寄存器
- 对于GPCLR0寄存器，如果将其第4位（CLR4）置1，则代表将pin4清0
寄存器选择?
此时，已经大致的找到了想要的寄存器，现在总结一下：
- pin4的功能选择：GPFSEL0寄存器中的14，13，12位对应的FSEL4寄存器
配置方法：
- pin4的置1：GPSET0寄存器，将其第4位（SET4）置1
- pin4的清0：GPCLR0寄存器，将其第4位（CLR4）置1
定位pin4
在树莓派中输入“gpio readall”：
pin4指的应该是BCM的4号，对应wiringPi库的7号，物理引脚的7号
驱动代码的完善
在了解了寄存器的选择后，就可以真正开始实现驱动函数的函数体了！
在这之前，回顾一下之前的框架代码：
#include <linux/fs.h> //file_operations声明
#include <linux/module.h> //module_init module_exit声明
#include <linux/init.h> //__init __exit 宏定义声明
#include <linux/device.h> //class devise声明
#include <linux/uaccess.h> //copy_from_user 的头文件
#include <linux/types.h> //设备号 dev_t 类型声明
#include <asm/io.h> //ioremap iounmap的头文件
static struct class *pin4_class;
static struct device *pin4_class_dev;
static dev_t devno; //设备号
static int major =231; //主设备号
static int minor =0; //次设备号
static char *module_name="pin4"; //模块名
//_open函数
static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
printk("pin4_open\n"); //内核的打印函数和printf类似
return 0;
}
//_write函数
static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
printk("pin4_write\n"); //内核的打印函数和printf类似
return 0;
}
static struct file_operations pin4_fops = { //结构体的类型是“file_operations”，名字可以自定义
//该结构体的成员就包含实现open和write的驱动函数
//当上层用户想要open或者write这个设备时，就会最终跳转到这个驱动代码中实现的open和write操作函数
//此处只赋值了该结构体中的三个成员变量（在keil中是不能这样写的，linux中可以），这个结构体其实有很多成员，如果想要实现更多的驱动函数，可以把更多的该结构体成员赋值并在这段代码中重写
.owner = THIS_MODULE,
.open = pin4_open,
.write = pin4_write,
};
int __init pin4_drv_init(void) //真实驱动入口
{
int ret;
devno = MKDEV(major,minor); //创建设备号
ret = register_chrdev(major, module_name, &pin4_fops); //注册驱动，告诉内核：把这个驱动加入到内核驱动的链表中
//以下两句代码目的是“生成设备文件”，也可以通过“mknod”命令手动生成，但是一般不会这样做
pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo"); //先创建‘类’
pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name); //再创建‘设备’
return 0;
}
void __exit pin4_drv_exit(void)
{
device_destroy(pin4_class,devno); //先销毁‘设备’
class_destroy(pin4_class); //在销毁‘类’
unregister_chrdev(major, module_name); //卸载驱动
}
module_init(pin4_drv_init); //入口，内核加载驱动的时候，这个宏会被调用
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2"); //linux内核遵循GPL协议现在的目的就是真正的实现“pin4_open”和“pin4_write”这两个驱动函数：
寄存器的物理地址
操控寄存器前，首先需要在代码中定义寄存器，在上节关于总线/物理/虚拟地址的学习中了解到，进程的运行首先需要物理地址，然后将其与虚拟地址映射起来。所以先找到寄存器的物理地址。
切记，这个地址不能根据芯片手册P90/91页的最左侧Address来，因为这款芯片手册列出的是“总线地址”，而此处需要的是“物理地址”，对于这款芯片，I/O空间的其实地址是0x3f000000，加上GPIO的偏移量，所以GPIO的物理地址应该是从0x3f200000开始的
?可以在树莓派中输入“sudo cat /proc/iomem”查看物理地址分配情况：
?了解了GPIO寄存器的起始地址“0x3f200000” 后，各个寄存器的偏移地址倒是可以参考芯片手册，因为偏移地址是相对的：
综上，可以得出三个寄存器的物理地址：
- GPFSEL0 --> 0x3f200000
- GPSET0?--> 0x3f20001C
- GPCLR0 --> 0x3f200028
寄存器在代码中的定义
找到了寄存器的物理地址之后，就可以将其与虚拟地址映射，并在程序中定义了：
//写在驱动代码的开头定义
volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int* GPSET0 = NULL;
volatile unsigned int* GPCLR0 = NULL;
//写在初识化函数“pin4_drv_init”的函数体中
GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);
GPSET0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
GPCLR0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
//写在退出函数“pin4_drv_exit”的函数体中
iounmap(GPFSEL0);
iounmap(GPSET0);
iounmap(GPCLR0);- 要使用“volatile”关键字来确保指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值（否则编译器会自认为我给的地址不好，从而自动的重新分配地址；且寄存器的值会经常变化所以要求每次都直接读值，时效性更强）
- int类型在linux中占4个字节，1个字节8个bit，所以int有32个bit。int型可以表示正数，负数和0，所以表示范围是“-2^31?到 2^31?- 1”；而unsigned int通过牺牲负数的表达从而大大提升了正数的表达范围，unsigned int的表示范围是“0 到 2^32?- 1” （此处的地址是一个8位的16进制数，一位16进制需要用4位2进制表示，所以需要32位，只能用unsigned int来表示）
-
ioremap()函数用于将物理地址映射为虚拟地址，其函数原型是ioremap(resource_size_t rescookie, size_t sieze)，其中rescookie是物理地址，size是映射的字节大小；此处的寄存器在刚刚提到过是32位，因此为4个字节，size就是4
-
ioremap转化后的地址依然是一个16进制数，如果要赋给指针变量的话，记得要进行强转
pin4_open & pin4_write实现逻辑
- 对于pin4_open：将pin4配置成输出模式，即将GPFSEL0寄存器中的14，13，12位设置为001
- 对于pin4_write：获取上层write函数要写的内容；然后根据值来操作pin4口（置1/清0）
新的 mydriver_pin4.c：
#include <linux/fs.h> //file_operations声明
#include <linux/module.h> //module_init module_exit声明
#include <linux/init.h> //__init __exit 宏定义声明
#include <linux/device.h> //class devise声明
#include <linux/uaccess.h> //copy_from_user 的头文件
#include <linux/types.h> //设备号 dev_t 类型声明
#include <asm/io.h> //ioremap iounmap的头文件
static struct class *pin4_class;
static struct device *pin4_class_dev;
static dev_t devno; //设备号
static int major =231; //主设备号
static int minor =0; //次设备号
static char *module_name="pin4"; //模块名
//写在驱动代码的开头定义
volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int* GPSET0 = NULL;
volatile unsigned int* GPCLR0 = NULL;
//_open函数
static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
printk("pin4_open\n"); //内核的打印函数和printf类似
//将pin4配置成输出模式，即将GPFSEL0寄存器中的14，13，12位设置为001
*GPFSEL0 &= 0xFFFF9FFF;//13,14位 置“0”
*GPFSEL0 |= 0x00001000;//12位 置“1”
return 0;
}
//_write函数
static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
int usr_cmd;
printk("pin4_write\n"); //内核的打印函数和printf类似
//获取上层write函数要写的内容
copy_from_user(&usr_cmd,buf,count);
printk("get value from write:%d\n",*buf);
//然后根据值来操作pin4口（置1/清0）
if(usr_cmd == 1){
*GPSET0 |= 0x00000010; //置“1”
}else if(usr_cmd == 0){
*GPCLR0 |= 0x00000010; //清“0”
}else{
printk("unknown user command!\n");
}
return 0;
}
static struct file_operations pin4_fops = { //结构体的类型是“file_operations”，名字可以自定义
//该结构体的成员就包含实现open和write的驱动函数
//当上层用户想要open或者write这个设备时，就会最终跳转到这个驱动代码中实现的open和write操作函数
//此处只赋值了该结构体中的三个成员变量（在keil中是不能这样写的，linux中可以），这个结构体其实有很多成员，如果想要实现更多的驱动函数，可以把更多的该结构体成员赋值并在这段代码中重写
.owner = THIS_MODULE,
.open = pin4_open,
.write = pin4_write,
};
int __init pin4_drv_init(void) //真实驱动入口
{
int ret;
devno = MKDEV(major,minor); //创建设备号
ret = register_chrdev(major, module_name, &pin4_fops); //注册驱动，告诉内核：把这个驱动加入到内核驱动的链表中
//以下两句代码目的是“生成设备文件”，也可以通过“mknod”命令手动生成，但是一般不会这样做
pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo"); //先创建‘类’
pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name); //再创建‘设备’
//写在初识化函数“pin4_drv_init”的函数体中
GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);
GPSET0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
GPCLR0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
printk("pin4_driver init success\n");
return 0;
}
void __exit pin4_drv_exit(void)
{
//写在退出函数“pin4_drv_exit”的函数体中
iounmap(GPFSEL0);
iounmap(GPSET0);
iounmap(GPCLR0);
device_destroy(pin4_class,devno); //先销毁‘设备’
class_destroy(pin4_class); //在销毁‘类’
unregister_chrdev(major, module_name); //卸载驱动
}
module_init(pin4_drv_init); //入口，内核加载驱动的时候，这个宏会被调用
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2"); //linux内核遵循GPL协议将GPFSEL0寄存器中的14，13，12位设置为001的思路：
（参考C51单片机的定时器 和 中断初识_c51定时器延时-CSDN博客）：
- 先使用“&=”将14和13位 置“0”
- 再使用“|=”将12位 置“1”
获取上层write函数要写的内容的思路：使用copy_from_user函数
- 该函数目的是从用户空间拷贝数据到内核空间，失败返回没有被拷贝的字节数，成功返回0
- 需要包含的头文件：
#include <linux/uaccess.h>
- 函数原型 & 参数
ulong copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n); //第一个参数 to：目标内核空间的地址 //第二个参数 from: 源用户空间地址。保存了用户要发送的数据，或者要拷贝到内核空间的内容的地址 //第三个参数 n：要拷贝的字节数
驱动的编译
在之前驱动学习的时候已经经历过一次，现在将新的代码编译：
- 打开虚拟机，进入Linux源码下的字符驱动设备目录：“linux/drivers/char/”，找到之前写的mydriver_pin4.c，并将刚刚完善过的代码写进去：
- 修改当前路径下的Makefile，确保这个新的驱动会被编译到：
- 回到linux内核源码的路径，运行以下指令尝试编译：
ARCH=arm CROSS_COMPILE=/home/mjm/ras_CrossCompile/gcc-linaro-5.1-2015.08-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 modules
- 将编译好的“mydriver_pin4.ko”通过以下的scp命令发送到树莓派：
scp drivers/char/mydriver_pin4.ko pi@192.168.2.26:/home/pi/mjm_code
- 在树莓派中，运行以下指令加载模块：
sudo insmod mydriver_pin4.ko
驱动的测试
在加载完新的驱动之后，重新修改驱动的测试代码：
pin4_test.c:
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
int driver_fd;
int usr_cmd;
while(1){
driver_fd = open("/dev/pin4",O_RDWR); //以可读可写打开的方式打开驱动
if(driver_fd < 0){
perror("fail to open driver file:");
}else{
printf("open driver file success!\n");
}
printf("input cmd: 1 OR 0\n 1:set pin4 to 1\n0:clear pin4 to 0\n");
scanf("%d",&usr_cmd);
if(usr_cmd == 1 || usr_cmd == 0){
driver_fd = write(driver_fd,&usr_cmd,4);
if(driver_fd < 0){
perror("fail to write:");
}else{
printf("write success!\n");
}
}else{
printf("unkown cmd!\n");
continue;
}
}
return 0;
}
- open函数也要写在while(1)里面
- write函数最后一个参数是4，因为一个int型是4个字节，也可以写成sizeof(int)
编译并运行：
1. gcc pin4_test.c -o pin4_test
2. sudo ./pin4_test如果报错，可能需要赋予权限：
sudo chmod 666 /dev/pin4 //666代表让所有用户都有所有权限
可见，程序已经成功运行起来了，此时另开一个窗口随时准备输入“gpio readall”来验证结果：
- 如果输入1，再通过gpio readall查看：
- 如果输入0，再通过gpio readall查看：
- 同时，也可以“dmesg”查看内核的日志：
可见，成功的通过识别用户输入的指令而进行了对pin4口的操控！
文章来源:https://blog.csdn.net/mjmmm/article/details/135143533
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