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重新理解一波設備驅(qū)動 | Linux 驅(qū)動

 mynotebook 2022-05-09 發(fā)布于湖南省

哈嘍,我是老吳。

非常懷念寫文章的感覺。

昨晚復習了一些 Linux 驅(qū)動的基礎知識,給大家分享一下吧。

先說結(jié)論:

多年來,我接觸到的 Linux 驅(qū)動教程大多都是從 0 編寫,這樣對初學者而言最大的好處,就是可以接觸到比較多的底層原理。

但是在真正的工作場景里,其實是應該盡量避免從 0 構(gòu)建自己的設備驅(qū)動的。

更好的做法是在高度模塊化的驅(qū)動框架里添加自己的設備驅(qū)動。

這樣做的好處是最大程度地復用內(nèi)核現(xiàn)有的代碼,同時獲得極大的彈性和可維護性,并且為應用程序提供出統(tǒng)一的訪問接口。

下面詳細地說說。

什么是設備驅(qū)動?

設備驅(qū)動程序 (device driver) 是對硬件的抽象:

圖片

提供基礎框架來編寫和運行設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核責任的一部分。

盡管可以在用戶空間中運行設備驅(qū)動程序(通過一些內(nèi)核接口,如 UIO 或 I2CDEV),更常見的情況是讓它們在內(nèi)核空間中運行。


以字符設備驅(qū)動為例:

圖片

字符設備 (char device) 是一種最常見的硬件抽象。

/dev 目錄下的設備節(jié)點文件就是內(nèi)核導出給用戶空間的訪問設備驅(qū)動的接口。

設備節(jié)點文件中有三個基本信息:

  • Type,用于標識是 block 還是 char device;

  • Major number,用于標志是那一類 char deivce;

  • Minor number,用于標志是哪一個 char device;


編寫字符設備驅(qū)動的流程:

圖片

1、分配設備號,這通過 register_chrdev_region() 或 alloc_chrdev_region() 來完成;

2、實現(xiàn)文件操作(open、read、write、ioctl)等。

3、使用 cdev_init() 和 cdev_add() 向內(nèi)核中注冊字符設備。

以 LED 字符設備驅(qū)動為例

圖片


如果按照從 0 構(gòu)建的思路編寫驅(qū)動的話,偽代碼如下

硬件訪問相關:

static struct {
 dev_t devnum;
 struct cdev cdev;
 unsigned int led_status;
 void __iomem *regbase;
} drvled_data;

static void drvled_setled(unsigned int status)
{
 u32 val;

 /* set value */
 val = readl(drvled_data.regbase + GPIO1_REG_DATA);
 if (status == LED_ON)
  val |= GPIO_BIT;
 else if (status == LED_OFF)
  val &= ~GPIO_BIT;
 writel(val, drvled_data.regbase + GPIO1_REG_DATA);

 /* update status */
 drvled_data.led_status = status;
}

static void drvled_setdirection(void)
{
 ...
}

文件操作相關:

static ssize_t drvled_read(struct file *file, char __user *buf,
      size_t count, loff_t *ppos)

{
 ...
}

static ssize_t drvled_write(struct file *file, const char __user *buf,
       size_t count, loff_t *ppos)

{
 char kbuf = 0;

 if (copy_from_user(&kbuf, buf, 1))
  return -EFAULT;

 if (kbuf == '1') {
  drvled_setled(LED_ON);
  pr_info('LED ON!\n');
 } else if (kbuf == '0') {
  drvled_setled(LED_OFF);
  pr_info('LED OFF!\n');
 }

 return count;
}

static const struct file_operations drvled_fops = {
 .owner = THIS_MODULE,
 .write = drvled_write,
 .read = drvled_read,
};

注冊和卸載字符設備相關:

static int __init drvled_init(void)
{
 int result = 0;

 if (!request_mem_region(GPIO1_BASE, GPIO1_SIZE, DRIVER_NAME)) {
  pr_err('%s: Error requesting I/O!\n', DRIVER_NAME);
  result = -EBUSY;
  goto ret_err_request_mem_region;
 }

 drvled_data.regbase = ioremap(GPIO1_BASE, GPIO1_SIZE);
 if (!drvled_data.regbase) {
  pr_err('%s: Error mapping I/O!\n', DRIVER_NAME);
  result = -ENOMEM;
  goto err_ioremap;
 }

 result = alloc_chrdev_region(&drvled_data.devnum, 01, DRIVER_NAME);
 if (result) {
  pr_err('%s: Failed to allocate device number!\n', DRIVER_NAME);
  goto ret_err_alloc_chrdev_region;
 }

 cdev_init(&drvled_data.cdev, &drvled_fops);

 result = cdev_add(&drvled_data.cdev, drvled_data.devnum, 1);
 if (result) {
  pr_err('%s: Char device registration failed!\n', DRIVER_NAME);
  goto ret_err_cdev_add;
 }

 drvled_setdirection();

 drvled_setled(LED_OFF);

 pr_info('%s: initialized.\n', DRIVER_NAME);
 goto ret_ok;

ret_err_cdev_add:
 unregister_chrdev_region(drvled_data.devnum, 1);
ret_err_alloc_chrdev_region:
 iounmap(drvled_data.regbase);
err_ioremap:
 release_mem_region(GPIO1_BASE, GPIO1_SIZE);
ret_err_request_mem_region:
ret_ok:
 return result;
}

static void __exit drvled_exit(void)
{
    ...
}

module_init(drvled_init);
module_exit(drvled_exit);

運行效果:

$ install ledrv.ko
$ ls /dev/led
# 燈亮
echo 1 >/dev/led
# 燈滅
echo 1 >/dev/led 

三個問題

單從功能的角度看,上面的程序完全滿足控制一個 LED 的需求。

但是,它不是一個好的驅(qū)動,這里有 3 個問題。

圖片


問題 1:

它創(chuàng)建的接口是 /dev/led,這不是一個通用接口,會增加上層開發(fā)人員的學習成本。

解決這個問題需要在 LED char driver 上再添加一層 LED framework,LED framework 負責給用戶空間提供標準化的訪問接口,同時用于添加可復用的邏輯功能。

基本上各種設備驅(qū)動都有自己的 framework,例如 input, IIO, ALSA, V2L2, RTC, watchdog 等。

使用這些 framework 驅(qū)動工程師不用考慮提供給用戶空間的接口,應用開發(fā)人員也只需要學習一次標準的硬件訪問接口接口。


問題 2:

它只是控制 1 個 gpio,但是卻申請使用了 2 個寄存器,這 2 個寄存器負責控制芯片的 8 個 gpio。這意味著其他 7 個 gpio 再也沒法被其他驅(qū)動申請使用。

解決這個問題需要引入一個 gpio 的管理者:gpiolib。gpiolib 負責統(tǒng)一管理和分配 gpio 資源。


問題 3:

它包含了硬件信息。如果我們想控制另外一個 gpio或者多個 gpio,就得改動源碼,代碼維護的工作量極大。

解決這個問題我們需要將硬件信息從代碼中抽取出來,具體的就是引入總線、設備、驅(qū)動模型。

更好的 LED 驅(qū)動

我們用上面的思路,寫一個更合理的 LED 驅(qū)動。

圖片

引入 LED framework:

1、初始化 led_classdev 結(jié)構(gòu)體。

2、提供一個回調(diào)函數(shù)來改變狀態(tài) LED 的。

3、使用 led_classdev_register() 在想 LED framework 注冊驅(qū)動程序。


引入 gpiolib:

內(nèi)核管理 gpio 的思路是典型的 producer/consumer 模型。

GPIO controller driver 是 producer,LED driver 是 consumer。

下面是幾個常用的 gpiolib api,它們的作用一目了然:

#include <linux/gpio.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
struct gpio_desc *gpiod_get(struct device *dev, const char *con_id,enum gpiod_flags flags);

void gpiod_put(struct gpio_desc *desc);

int gpiod_direction_input(struct gpio_desc *desc);

int gpiod_direction_output(struct gpio_desc *desc, int value);

void gpiod_set_value(struct gpio_desc *desc, int value);

int gpiod_get_value(const struct gpio_desc *desc);


引入總線、設備、驅(qū)動模型 :

該模型包含 4 部分。

Bus core: 對硬件總線的抽象,不同總線有不同的 Bus core,例如 USB core, SPI core, I2C core, PCI core ,在內(nèi)核中由 bus_type 結(jié)構(gòu)表示。

Bus adapters: 總線控制器驅(qū)動程序,在內(nèi)核中由 device_driver 結(jié)構(gòu)體表示。

Bus drivers: 負責管理連接到總線的設備的驅(qū)動程序,在內(nèi)核中由 device_driver 結(jié)構(gòu)體表示。

Bus devices: 連接到總線的設備,在內(nèi)核中由結(jié)構(gòu) device 表示。

內(nèi)核虛擬了一條叫 Platform 的總線,用于適配 LED 這種不屬于任何總線的設備。

看下改造后的代碼:

設備信息:

LED {
<&gpio1 9>
}

硬件控制:

tatic struct drvled_data_st *drvled_data;

static void drvled_setled(unsigned int status)
{
 // 控制 gpio
 if (status == LED_ON)
  gpiod_set_value(drvled_data->desc, 1);
 else
  gpiod_set_value(drvled_data->desc, 0);
}

static void drvled_change_state(struct led_classdev *led_cdev,
    enum led_brightness brightness)

{
 if (brightness)
  drvled_setled(LED_ON);
 else
  drvled_setled(LED_OFF);
}

向 LED framework 注冊:

static int drvled_probe(struct platform_device *pdev)
{
 struct device_node *np = pdev->dev.of_node;
 struct device_node *child = NULL;
 int result, gpio;

 child = of_get_next_child(np, NULL);

 drvled_data = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*drvled_data),
       GFP_KERNEL);
 if (!drvled_data)
  return -ENOMEM;

 // 從設備數(shù)中獲得硬件信息
 gpio = of_get_gpio(child, 0);

 result = devm_gpio_request(&pdev->dev, gpio, pdev->name);
 if (result) {
  dev_err(&pdev->dev, 'Error requesting GPIO\n');
  return result;
 }

 drvled_data->desc = gpio_to_desc(gpio);

 drvled_data->led_cdev.name = of_get_property(child, 'label'NULL);
 drvled_data->led_cdev.brightness_set = drvled_change_state;

 // 注冊進 LED framework
 result = devm_led_classdev_register(&pdev->dev, &drvled_data->led_cdev);
 if (result) {
  dev_err(&pdev->dev, 'Error registering led\n');
  return result;
 }

 gpiod_direction_output(drvled_data->desc, 0);

 dev_info(&pdev->dev, 'initialized.\n');

 return 0;
}

static int drvled_remove(struct platform_device *pdev)
{
 dev_info(&pdev->dev, 'exiting.\n');

 return 0;
}

static const struct of_device_id of_drvled_match[] = {
 { .compatible = 'labworks,drvled' },
 {},
};

static struct platform_driver drvled_driver = {
 .driver = {
  .name = 'drvleds',
  .owner = THIS_MODULE,
  .of_match_table = of_drvled_match,
 },
 .probe  = drvled_probe,
 .remove  = drvled_remove,
};

module_platform_driver(drvled_driver);


改造后,應用總是通過下面這種標準的接口訪問 LED:

# 燈亮
echo 1 > /sys/class/leds/<LED driver name>/brightness

# 燈滅
echo 0 > /sys/class/leds/<LED driver name>/brightness

并且有大量的 trigger 可供使用,例如讓 LED 呈心跳狀態(tài)的 heartbeat trigger:

echo heartbeat > /sys/class/leds/<LED driver name>/trigger


假設這時你想改用 gpio expander 芯片來控制 LED:

只需要添加這個 gpio expander 的驅(qū)動代碼,并且修改設備樹即可,其他部分完全不需要改動:

gpioexp {
I2C0, 0x10
}
LED {
<&gpioexp 3>
}

圖片

到此,你是否更清楚如何為 Linux 添加設備驅(qū)動了呢?

—— The End ——

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