基于i.MX6ULL字符設(shè)備開發(fā)學(xué)習(xí)
[導(dǎo)讀]之前的幾篇文章（從i.MX6ULL嵌入式Linux開發(fā)1-uboot移植初探起)，介紹了嵌入式了Linux的系統(tǒng)移植（uboot、內(nèi)核與根文件系統(tǒng)）以及使用MfgTool工具將系統(tǒng)燒寫到板子的EMMC中。本篇開始介紹嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)。內(nèi)容較多，先看目錄：1Linux驅(qū)動(dòng)分...
之前的幾篇文章（從i.MX6ULL嵌入式Linux開發(fā)1-uboot移植初探起)，介紹了嵌入式了Linux的系統(tǒng)移植（uboot、內(nèi)核與根文件系統(tǒng)）以及使用MfgTool工具將系統(tǒng)燒寫到板子的EMMC中。
1 Linux驅(qū)動(dòng)分類
Linux中的外設(shè)驅(qū)動(dòng)可以分為三大類：字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。- 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)：字符設(shè)備是能夠按照字節(jié)流（比如文件）進(jìn)行讀寫操作的設(shè)備。字符設(shè)備最常見，從最簡(jiǎn)單的點(diǎn)燈到I2C、SPI、音頻等都屬于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)
- 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)：以存儲(chǔ)塊為基礎(chǔ)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，如EMMC、NAND、SD卡等。對(duì)用戶而言，字符設(shè)備與塊設(shè)備的訪問方式?jīng)]有差別。
- 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)：即網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，它同時(shí)具有字符設(shè)備和塊設(shè)備的特點(diǎn)，因?yàn)樗禽斎胼敵鍪怯薪Y(jié)構(gòu)塊的（報(bào)文，包，幀），但它的塊的大小又不是固定的。
2 Linux驅(qū)動(dòng)基本原理
在Linux中一切皆文件，驅(qū)動(dòng)加載成功以后會(huì)在“/dev”目錄下生成一個(gè)相應(yīng)的文件，應(yīng)用程序通過對(duì)這個(gè)名為“/dev/xxx”的文件進(jìn)行相應(yīng)的操作即可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作。比如最簡(jiǎn)單的點(diǎn)燈功能，會(huì)有/dev/led這樣的驅(qū)動(dòng)文件，應(yīng)用程序使用open函數(shù)來(lái)打開文件/dev/led，如果要點(diǎn)亮或關(guān)閉led，那么就使用write函數(shù)寫入開關(guān)值，如果要獲取led的狀態(tài)，就用read函數(shù)從驅(qū)動(dòng)中讀取相應(yīng)的狀態(tài)，使用完成以后使用close函數(shù)關(guān)閉/dev/led這個(gè)文件。2.1 Linux軟件分層結(jié)構(gòu)
Linux軟件從上到下可以分層4層結(jié)構(gòu)，以控制LED為例：- 應(yīng)用層：應(yīng)用程序使用庫(kù)提供的open函數(shù)打開LED設(shè)備
- 庫(kù)：庫(kù)根據(jù)open函數(shù)傳入的參數(shù)執(zhí)行“swi”指令，進(jìn)而引起CPU異常，進(jìn)入內(nèi)核
- 內(nèi)核：內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)傳入的參數(shù)找到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，返回文件句柄給庫(kù)，進(jìn)而返回給應(yīng)用層
- 應(yīng)用層得到文件句柄后，使用庫(kù)提供的write或ioctl發(fā)出控制指令
- 庫(kù)根據(jù)write或ioctl函數(shù)傳入的參數(shù)執(zhí)行“swi”指令，進(jìn)入內(nèi)核
- 內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)傳入的參數(shù)找到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序
- 驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)程序控制硬件，點(diǎn)亮LED
2.2 Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)操作函數(shù)
每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，在驅(qū)動(dòng)中都有與之對(duì)應(yīng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在Linux內(nèi)核文件include/linux/fs.h中有個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)體，就是Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)操作函數(shù)集合：struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
/*省略若干行...*/
};
其中有關(guān)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)中常用的函數(shù)有：- owner：擁有該結(jié)構(gòu)體的模塊的指針，一般設(shè)置為THIS_MODULE。
- llseek函數(shù)：用于修改文件當(dāng)前的讀寫位置。
- read函數(shù)：用于讀取設(shè)備文件。
- write函數(shù)：用于向設(shè)備文件寫入(發(fā)送)數(shù)據(jù)。
- poll函數(shù)：是個(gè)輪詢函數(shù)，用于查詢?cè)O(shè)備是否可以進(jìn)行非阻塞的讀寫。
- unlocked_ioctl函數(shù)：提供對(duì)于設(shè)備的控制功能， 與應(yīng)用程序中的 ioctl 函數(shù)對(duì)應(yīng)。
- compat_ioctl函數(shù)：與 unlocked_ioctl功能一樣，區(qū)別在于在 64 位系統(tǒng)上，32 位的應(yīng)用程序調(diào)用將會(huì)使用此函數(shù)。在 32 位的系統(tǒng)上運(yùn)行 32 位的應(yīng)用程序調(diào)用的是unlocked_ioctl。
- mmap函數(shù)：用于將將設(shè)備的內(nèi)存映射到進(jìn)程空間中(也就是用戶空間)，一般幀緩沖設(shè)備會(huì)使用此函數(shù)， 比如 LCD 驅(qū)動(dòng)的顯存，將幀緩沖(LCD 顯存)映射到用戶空間中以后應(yīng)用程序就可以直接操作顯存了，這樣就不用在用戶空間和內(nèi)核空間之間來(lái)回復(fù)制。
- open函數(shù)：用于打開設(shè)備文件。
- release函數(shù)：用于釋放(關(guān)閉)設(shè)備文件，與應(yīng)用程序中的 close 函數(shù)對(duì)應(yīng)。
- fasync函數(shù)：用于刷新待處理的數(shù)據(jù)，用于將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)刷新到磁盤中。
- aio_fsync函數(shù)：與fasync功能類似，只是 aio_fsync 是異步刷新待處理的
2.3 Linux驅(qū)動(dòng)運(yùn)行方式
Linux 驅(qū)動(dòng)有兩種運(yùn)行方式：- 將驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)Linux內(nèi)核中， 這樣當(dāng)Linux內(nèi)核啟動(dòng)的時(shí)候就會(huì)自動(dòng)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序。
- 將驅(qū)動(dòng)編譯成模塊(擴(kuò)展名為 .ko)， 在Linux內(nèi)核啟動(dòng)以后使用“insmod”命令加載驅(qū)動(dòng)模塊。
2.4 Linux設(shè)備號(hào)
2.4.1 設(shè)備號(hào)的組成
Linux中每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)設(shè)備號(hào)，設(shè)備號(hào)由主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)兩部分組成。- 主設(shè)備號(hào)：表示某一個(gè)具體的驅(qū)動(dòng)
- 次設(shè)備號(hào)：表示使用這個(gè)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)設(shè)備
#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) 
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