养老院自助饮水机（字符设备驱动）

目录

1、项目背景

2、驱动程序

2.1 三层架构

2.2 驱动三要素

2.3 字符设备驱动

 2.3.1 驱动模块

2.3.2 应用层

3、设计实现

3.1 项目设计

3.2 项目实现

3.2.1 驱动模块代码

3.2.2 用户层代码 

4、功能特性

5、技术分析 

6. 总结与未来展望

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1、项目背景

        养老院的老人在生活中难免有所不方便，为了便捷老年人的生活，使用字符设备驱动编写了一个自助饮水机项目。该饮水机与普通饮水机的区别在于拥有更复杂的功能；饮水机拥有可以自行输入金额，然后程序开始运行。运行期间常亮绿灯，可以点击按钮暂停，灯颜色改变；一直到余额不足，然后蜂鸣器提示用户。

        提示：该项目的基础是在”系统移植“之上，对于系统移植步骤及说明：

        http://t.csdnimg.cn/O1uMi

 

2、驱动程序

2.1 三层架构

图2-1 结构框图

         对于三层的说明，想必大家都不陌生。内核层既需要去通过转换地址映射到内核，使得内核可以通过虚拟地址去操作底层的硬件设备；也需要使用虚拟文件系统向上层提供一个用户能够操作的文件设备。内核层作为中间枢纽，能提供如此的功能，归功于驱动程序，见图2-2。

 

2.2 驱动三要素

//驱动模块三要素 入口、出口、许可证
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
//入口
static int hello_init(void)
{return 0;
}
//出口
static void hello_exit(void)
{
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
//许可证
MODULE_LICENSE("GPL");//一个最简单、最基本的驱动程序

 

2.3 字符设备驱动

图2-2 字符设备驱动框图

 

 2.3.1 驱动模块

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/printk.h>
#include <linux/fs.h>
unsigned int major=0;
#define CNAME "hello"
ssize_t mycdev_read (struct file *file, char __user *ch, size_t len, loff_t *lodd)
{printk("this is read\n");return 0;
}
ssize_t mycdev_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t len, loff_t *lodd)
{printk("this is write\n");return 0;
}
int mycdev_open (struct inode *ino, struct file *file)
{printk("this is open\n");return 0;
}
int mycdev_release (struct inode *ino, struct file *file)
{printk("this is close\n");return 0;
}
const struct file_operations fops=
{.read=mycdev_read,.write=mycdev_write,.open=mycdev_open,.release=mycdev_release,
};//该结构体主要用于像上层的用户层，提供调用的接口函数
static int __init hello_init(void)
{major=register_chrdev(major,CNAME,&fops);//注册一个字符设备驱动if(major<0){printk("register chrdev error\n");return major;}return 0;
}
static void __exit hello_exit(void)
{unregister_chrdev(major,CNAME);printk("bai bai\n");
}
module_init(hello_init);//入口
module_exit(hello_exit);//出口
MODULE_LICENSE("GPL");//返回值

 

2.3.2 应用层

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
char buf[128]={0};
int main(int argc,const char *argv[])
{int fd;fd=open("./hello",O_RDWR);if(fd==-1){perror("open error");return -1;}write(fd,buf,sizeof(buf));//对应着设备驱动模块的mycdev_write read(fd,buf,sizeof(buf));//对应着设备驱动模块的mycdev_readclose(fd);return 0;
}

         所以，具体应用层所能干的，就是调用接口，而接口函数里面做的事情，则由我们驱动开发人员去编写，当然，此驱动模块还没有去操作实际的硬件设备，对于想要操作底层的硬件设备，则需要去看板子的原理图，查看外设的地址映射等。（以上驱动模块并未自动创建设备文件，执行完还需自行mknod，命令格式如下：sudo mknod hello c/b（c 代表字符设备 b代表块设备）主设备号 次设备号）

3、设计实现

3.1 项目设计

        对于该项目组成，同样是上述组成，不过更加复杂，具体的我就不再引出了。如果有任何问题，可以联系博主。

图3-1 驱动模块的作用

3.2 项目实现

3.2.1 驱动模块代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/printk.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/gpio.h>#define CNAME "NEW_C"
unsigned int major=0;
struct class *cls;
struct device *dvs;
char kbuf[64]={0};
int money=0;
int devlen=0;#define RED_BASE 0xC001A000
#define GRE_BASE 0xC001E000
#define BLU_BASE 0xC001B000
#define BEEP_BASE 0xC001C000
unsigned int *red_base=NULL;
unsigned int *gre_base=NULL;
unsigned int *blu_base=NULL;
unsigned int *beep_base=NULL;#define GPIONO(m,n) m*32+n  //计算gpio号
#define GPIO_B8  (GPIONO(1,8))//计算按键gpio号
#define GPIO_B16  (GPIONO(1,16)) //计算gpio号
struct timer_list mytimer;//声明结构体
struct timer_list mytimer1;
struct timer_list mytimer2;
int gpiono[] = {GPIO_B8,GPIO_B16};//数组内存入两个按键的软中断号
char *irqname[] = {"interrupt-b8","interrupt-b16"};//中断的名字
void key_irq_timer_handle(unsigned long data)//定时器中断处理函数
{int status_b8  = gpio_get_value(GPIO_B8);//读取gpiob8数值int status_b16 = gpio_get_value(GPIO_B16);//读取gpiob16数值if(status_b8 == 0){//如果等于0表示按下，执行打印函数*blu_base |= 1<<12;mod_timer(&mytimer1,jiffies+1000);printk("left  button down............\n");}if(status_b16 == 0){//如果等于0表示按下，执行打印函数*blu_base &= ~(1<<12);del_timer(&mytimer1);printk("right button down#############\n");}
}void key_irq_timer_handle1(unsigned long data)//定时器中断处理函数
{kbuf[11]=kbuf[11]-1;if(kbuf[11]=='/'){kbuf[10]=kbuf[10]-1;kbuf[11]=kbuf[11]+10;}mod_timer(&mytimer1, jiffies + 1000);
}void key_irq_timer_handle2(unsigned long data)//定时器中断处理函数
{*beep_base &= ~(1<<14);
}
irqreturn_t farsight_irq_handle(int num, void *dev)//按键产生的中断处理函数
{mod_timer(&mytimer,jiffies+10);//开启定时器。只要触发就重新赋值，用来消抖return IRQ_HANDLED; 
}ssize_t my_dev_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t len, loff_t *loff)
{if(len >sizeof(kbuf)){len =sizeof(kbuf);}printk("%c %c\n",kbuf[10],kbuf[11]);devlen = copy_to_user(ubuf,kbuf,len);if(devlen){printk("copy to user is err\n");return devlen;}return 0;
}ssize_t my_dev_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t len, loff_t *loff)
{if(len > sizeof (kbuf)){len=sizeof(kbuf);}devlen = copy_from_user(kbuf,ubuf,len);if(devlen){printk("copy from user is err\n");return devlen;}money=(kbuf[10]-48)*10+(kbuf[11]-48);printk("This is my char_dev_write %d\n",money);return 0;
}int my_dev_open(struct inode *inode, struct file *file)
{return 0;
}int my_dev_release(struct inode *inode, struct file *file)
{*beep_base |= 1<<14;mod_timer(&mytimer2, jiffies + 1000);return 0;
}const struct file_operations fops=
{.read=my_dev_read,.write=my_dev_write,.open=my_dev_open,.release=my_dev_release,// .unlocked_ioctl=my_unlocked_ioctl,
};static int __init hello_init(void)
{major=register_chrdev(major,CNAME,&fops);if(major<0){printk("register_chrdev is error\n");return major;}red_base=ioremap(RED_BASE,36);gre_base=ioremap(GRE_BASE,36);blu_base=ioremap(BLU_BASE,36);beep_base=ioremap(BEEP_BASE,36);if(red_base==NULL || gre_base==NULL){printk("ioremap is err\n");return -ENOMEM;}*red_base &=~(1<<28);*(red_base+1) |=1<<28;*(red_base+9) &=~(3<<24);*gre_base &= ~(1<<13);*(gre_base+1) |= (1<<13);*(gre_base+8) &=~(3<<26);*(blu_base+1) |= 1<<12;*(blu_base+8) |=(2<<24);*beep_base &= ~(1<<14);*(beep_base+1) |= 1<<14;*(beep_base+8) &= ~(1<<29);*(beep_base+8) |= 1<<28;cls = class_create(THIS_MODULE, CNAME);if(IS_ERR(cls)){printk("class create is err\n");return PTR_ERR(cls);}dvs=device_create(cls, NULL, MKDEV(major,0), NULL, CNAME);if(IS_ERR(dvs)){printk("device create is err\n");return PTR_ERR(dvs);}int ret,i;mytimer.expires = jiffies + 10;//时间mytimer.function = key_irq_timer_handle;//定时器中断处理函数mytimer.data = 0;//参数init_timer(&mytimer);//将定时器信息写入进行初始化add_timer(&mytimer);//开启一次定时器mytimer1.expires = jiffies + 1000;//时间mytimer1.function = key_irq_timer_handle1;//定时器中断处理函数mytimer1.data = 0;//参数init_timer(&mytimer1);//将定时器信息写入进行初始化add_timer(&mytimer1);//开启一次定时器mytimer2.expires = jiffies + 1000;//时间mytimer2.function = key_irq_timer_handle2;//定时器中断处理函数mytimer2.data = 0;//参数init_timer(&mytimer2);//将定时器信息写入进行初始化add_timer(&mytimer2);//开启一次定时器for(i=0;i<ARRAY_SIZE(gpiono); i++){//这里用for主要目的之申请两个中断ret = request_irq(gpio_to_irq(gpiono[i]),farsight_irq_handle,IRQF_TRIGGER_FALLING,irqname[i],NULL);//中断申请 参数：软中断号  中断执行函数  下降沿触发 中断的名字if(ret){printk("request irq%d error\n",gpio_to_irq(gpiono[i]));//申请失败提示return ret;}}return 0;
}static void __exit hello_exit(void)
{int i;for(i=0;i<ARRAY_SIZE(gpiono); i++){//注销掉中断free_irq(gpio_to_irq(gpiono[i]),NULL);}del_timer(&mytimer);//注销掉定时器del_timer(&mytimer1);//注销掉定时器del_timer(&mytimer2);//注销掉定时器class_destroy(cls);device_destroy(cls,MKDEV(major,0));iounmap(red_base);iounmap(gre_base);iounmap(blu_base);iounmap(beep_base);unregister_chrdev(major,CNAME);}module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

3.2.2 用户层代码 

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <time.h>#include "head.h"char buf[64] ={0};
char buff[128]={0};
struct tm *tp;
time_t t;
int main(int argc, char *argv[])
{int fd = open("/dev/NEW_C", O_RDWR);if (fd < 0){perror("open NEW_C err\n");return -1;}int fds=open("./history.txt",O_APPEND|O_CREAT|O_WRONLY,0666);if(fds<0){perror("open history err\n");return -1;}sprintf(buf,"0X55%s%s0XFF",argv[1],argv[2]);write(fd,buf,sizeof(buf));int readlen=0;while(1){time(&t);tp = localtime(&t);if((buf[10]=='0') && buf[11]=='0'){goto loop;}readlen = read(fd,buf,sizeof(buf));sprintf(buff,"%4d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d ： 账户：%c%c\t剩余金额：%c%c\n",tp->tm_year+1900,tp->tm_mon+1,tp->tm_mday,tp->tm_hour,tp->tm_min,tp->tm_sec,buf[6],buf[7],buf[10],buf[11]);write(fds,buff,strlen(buff));printf("账户：%c%c\t剩余金额：%c%c\n",buf[6],buf[7],buf[10],buf[11]);sleep(1);}
loop:close(fd);return 0;
}

 

4、功能特性

上述项目的功能大体如下：

        用户可自行输入金额。

        金额定时减少，出水时亮绿灯

        用户可点击按钮实现暂停接水，并且余额不会减少。

        余额归零，代表出水完毕，蜂鸣器响提示用户。

        本地日志会记录用户的购买记录及详细信息。

 

5、技术分析 

        字符设备驱动编写：向上提供接口，向下控制硬件。

        定时器使用：按键消抖，水量控制，蜂鸣器控制。

        中断使用：按键触发中断。

        文件io：保存用户消费日志。

 

6. 总结与未来展望

        字符设备驱动是操作系统中的一种设备驱动程序，用于管理和控制字符设备。在Linux系统中，字符设备驱动通常使用字符设备接口进行开发。驱动程序需要定义设备结构体、注册设备、实现文件操作函数等，以提供稳定高效的设备访问接口。除了基本的功能，驱动程序还可以实现多个进程访问同一个设备、内存映射、虚拟文件系统、设备驱动模块化、调试信息输出等特性。

        字符设备驱动技术在计算机领域有着重要的意义和影响。首先，它为应用程序提供了访问字符设备的标准接口，使得应用程序能够方便地与设备进行数据交互，从而促进了各种应用软件的开发和推广。其次，字符设备驱动技术也支持多种设备类型和多种操作系统平台，使得设备之间的互通性得到了提升，为设备互联和智能化提供了先决条件。

        未来，随着物联网技术的不断发展和普及，字符设备驱动技术将会得到更广泛的应用和推广。特别是在智能家居、工业自动化、医疗健康等领域，字符设备驱动技术将发挥更大的作用和贡献。同时，随着技术的不断进步和创新，字符设备驱动技术也将会不断完善和优化，以满足日益增长的设备互联需求和应用场景。

        感谢大家的阅读，欢迎留言指教。