Linux 内核探秘：从零构建 GPIO 设备驱动程序实战指南

在嵌入式系统开发领域，GPIO（通用输入 / 输出）作为硬件与软件交互的桥梁，是实现设备控制与数据采集的基础。编写高效、稳定的 GPIO 设备驱动程序，对于发挥硬件性能至关重要。本文将深入剖析 Linux 内核中 GPIO 驱动开发的全流程，从原理到代码实现，带你一步步掌握 GPIO 设备驱动的核心技术。

一、GPIO 驱动基础理论

1.1 GPIO 工作原理

GPIO 引脚可以通过软件配置为输入或输出模式。作为输出时，可设置引脚的高低电平，控制外部设备，如 LED 灯的亮灭、继电器的开合；作为输入时，可读取引脚的电平状态，获取外部设备的信号，例如按钮的按下与释放。在 Linux 系统中，GPIO 的操作需要通过驱动程序来实现对硬件寄存器的读写控制。

1.2 Linux 驱动模型与 GPIO 子系统

Linux 采用统一的设备驱动模型，将设备分为字符设备、块设备和网络设备等类型。GPIO 设备通常作为字符设备进行驱动开发。Linux 内核提供了 GPIO 子系统，它封装了底层硬件操作，为驱动开发者提供了一套通用的 API，使得开发者无需直接操作硬件寄存器，降低了开发难度，提高了驱动的可移植性和通用性。

二、搭建开发环境

2.1 硬件准备

首先需要准备一块支持 GPIO 功能的开发板，如树莓派、STM32MP1 系列开发板等。确保开发板与主机能够正常通信，一般通过串口或 SSH 进行连接。

2.2 软件准备

在主机上安装交叉编译工具链，用于将驱动程序代码编译为目标开发板的可执行文件。例如，对于 ARM 架构的开发板，可能需要安装arm-linux-gnueabihf-gcc等工具链。同时，安装 Linux 内核源代码，可从官方网站下载对应开发板的内核版本，解压后作为驱动开发的基础。

三、编写 GPIO 驱动程序

3.1 驱动框架搭建

基于 Linux 字符设备驱动框架，编写 GPIO 驱动的基本结构。首先定义设备号、设备类和设备节点：

#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/cdev.h>

#include <linux/uaccess.h>

#include <linux/gpio.h>

#include <linux/of_gpio.h>

#define DEVICE_NAME "my_gpio_device"

static dev_t dev_num;

static struct cdev my_cdev;

static struct class *my_class;

然后实现驱动的初始化和退出函数：

static int __init my_gpio_driver_init(void)

{

// 申请设备号

int ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);

if (ret < 0) {

printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\n");

return ret;

}

// 初始化cdev结构

cdev_init(&my_cdev, &my_fops);

my_cdev.owner = THIS_MODULE;

// 添加cdev到系统

ret = cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);

if (ret < 0) {

printk(KERN_ERR "Failed to add cdev\n");

unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

return ret;

}

// 创建设备类

my_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);

if (IS_ERR(my_class)) {

printk(KERN_ERR "Failed to create class\n");

cdev_del(&my_cdev);

unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

return PTR_ERR(my_class);

}

// 创建设备节点

device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, DEVICE_NAME);

return 0;

}

static void __exit my_gpio_driver_exit(void)

{

device_destroy(my_class, dev_num);

class_destroy(my_class);

cdev_del(&my_cdev);

unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

}

module_init(my_gpio_driver_init);

module_exit(my_gpio_driver_exit);

3.2 GPIO 操作实现

从设备树获取 GPIO 引脚编号，并实现 GPIO 的输入输出操作。假设设备树中已定义好 GPIO 节点：

static int gpio_num;

static int __init get_gpio_num(void)

{

struct device_node *np = of_find_compatible_node(NULL, NULL, "my,gpio-device");

if (!np) {

printk(KERN_ERR "Failed to find device node\n");

return -ENODEV;

}

gpio_num = of_get_named_gpio(np, "gpio", 0);

if (gpio_num < 0) {

printk(KERN_ERR "Failed to get gpio number\n");

return gpio_num;

}

if (gpio_request(gpio_num, "my_gpio")) {

printk(KERN_ERR "Failed to request gpio\n");

return -EBUSY;

}

return 0;

}

实现文件操作接口函数，如open、read、write等：

static int my_gpio_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

if (get_gpio_num() < 0) {

return -EIO;

}

// 设置为输出模式

gpio_direction_output(gpio_num, 0);

return 0;

}

static ssize_t my_gpio_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)

{

int value;

if (count != sizeof(int)) {

return -EINVAL;

}

if (copy_from_user(&value, buf, sizeof(int))) {

return -EFAULT;

}

gpio_set_value(gpio_num, value);

return count;

}

static ssize_t my_gpio_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)

{

int value = gpio_get_value(gpio_num);

if (copy_to_user(buf, &value, sizeof(int))) {

return -EFAULT;

}

return count;

}

static int my_gpio_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

gpio_free(gpio_num);

return 0;

}

static const struct file_operations my_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open = my_gpio_open,

.write = my_gpio_write,

.read = my_gpio_read,

.release = my_gpio_release,

};

四、编译与测试

4.1 编译驱动程序

编写 Makefile 文件，指定内核源代码路径和交叉编译工具链：

obj-m += my_gpio_driver.o

all:

make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:

make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

执行make命令编译驱动程序，生成.ko文件。

4.2 加载与测试

将编译好的驱动模块拷贝到开发板上，使用insmod命令加载驱动：

insmod my_gpio_driver.ko

加载成功后，会在/dev目录下生成设备节点my_gpio_device。编写测试程序，通过设备节点对 GPIO 进行读写操作：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

int main()

{

int fd = open("/dev/my_gpio_device", O_RDWR);

if (fd < 0) {

perror("open");

return -1;

}

int value = 1;

write(fd, &value, sizeof(int)); // 点亮LED

sleep(2);

value = 0;

write(fd, &value, sizeof(int)); // 熄灭LED

close(fd);

return 0;

}

编译并运行测试程序，观察 GPIO 控制的设备状态变化。

五、总结与进阶

通过以上步骤，我们完成了一个简单的 GPIO 设备驱动程序的编写、编译、加载与测试。但实际应用中，还需考虑更多问题，如中断处理、电源管理、错误处理优化等。后续可以深入研究 Linux 内核文档和优秀的开源驱动代码，进一步提升驱动开发能力，为更复杂的嵌入式系统开发打下坚实基础。

上述文章涵盖了 GPIO 驱动开发全流程，若你觉得某些部分需要更详细讲解，或想增加调试技巧等内容，随时告诉我。

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