【Linux驱动】设备树模型的LED驱动 | 查询方式的按键驱动

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《Linux驱动》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

🍮设备树模型的LED驱动

目前有三种方式来写LED驱动程序：

• 最简单的驱动模型——硬件操作绑定在驱动函数中。
• 总线驱动模型。
• 设备树驱动模型。

下面设备树驱动模型来实现一下LED驱动程序，该模型主要分为两部分，设备树文件和驱动程序。

🍩设备树文件

如上图所示设备树文件，在设备树中增加Big-Miaomi-LED@0和Big-Miaomi-LED@1两个设备节点：

• compatible属性：属性值都是BigMiaomi,LED_Driver。

• pin属性：属性值是各自节点所用GPIO组和引脚编号组成的32位整数。

• 如果在设备树节点里使用reg属性，内核在生成对应的platform_device时，reg属性会被转换成IORESOURCE_MEM类型的资源。

• 如果在设备树节点里使用interrputs属性，内核在生成对应的platform_device时，interrupts属性会被转换成IORESOURCE_IRQ类型的资源。

但是本喵写的Big-Miaomi-LED节点中，属性名是pin，该属性名是本喵自己定义的，不在内核自动转换资源类型的的命名范围内。

所以就不能从转换后的platform_device结构体中的resources数组中获得引脚资源了，具体获取方式编程时候再说。

如上图，然后在内核目录中使用make dtbs指令编译设备树文件，转换为内核认识的dtb文件。

🍩驱动程序

驱动程序在总线驱动模型的基础上进行修改，驱动层的上层不用动，只需要改变下层中的部分代码：

如上图所示，由于现在支持了设备树，所以需要初始化platform_deiver结构体中driver成员里的of_match_table成员，这是一个struct of_device_id类型的数组。

所以需要定义一个struct of_device_id类型的数组，名为BigMiaomi_LEDs：

• 只用platform_device和platform_driver匹配规则中优先级最高的compatible属性来匹配。
• 只支持LED设备，所以compatible属性只有一个值。

compatible属性的值，必须和设备树中要支持节点的compatible属性值相同，才能匹配成功。

然后就是在匹配成功以后，会自动调用paltform_driver中的probe函数，在该函数中，原本是从paltform_device的resources数组中获取硬件资源，但是此时不能这样干了：

如上图所示probe函数，在该函数中首先要获取pin资源：

• 设备树中的pin属性没有被转换到resources数组中，但是在第一次转换为device_node里的properties中是有该属性的。
  • 从匹配成功的platform_device中得到当前节点的device_node结构体指针of_node。
• 使用of_property_read_32函数，从np指向的当前节点deivce_node中的properties里找到pin属性，并且以32位整数的方式读取该属性的value值。
  • 将表示引脚资源的32位属性值放入到记录引脚资源的全局数组g_ledpins中。

获取到引脚资源后的其他操作和总线模型中相同，也是要使用led_class_create_device在/dev目录下创建设备节点。

• 设备树文件中的设备节点，内核加载后并不会在/dev目录下创建相应的文件，它不属于文件字符设备文件系统。

如上图代码所示，既然probe中的获取引脚资源的方式变了，那么在remove中获取引脚资源的方式和其他处理也要做出相应变化：

• 从要移除设备节点的device_node中获取引脚资源led_pin。
• 遍历存放引脚资源的全局数组找到要移除的节点，移除后将对应的值修改为-1。
• 最后判断一下是否该类型的设备节点全部移除了，如果存放引脚资源的全局数组中，所有值都成了-1，则说明全部移除了。

此时整个驱动程序就修改完毕了，相比于总线驱动模型，只是在获取引脚资源的方式上做了改变。

如上图所示Makfile文件，只需要编译驱动层上层led_drv.c和下层chip_led_opr.c即可，board_A.c不用再参与编译了。

• 因为引脚资源不再由board_A.c中的platform_device结构体提供了。
• 引脚资源由设备树文件提供，由内核将设备节点转换为platform_device结构体。

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如上图所示，将在Linux服务器中编译好的dtb设备树文件和led_drv.ko及chip_led_opr.ko驱动文件，还有led_drv_test测试文件拷贝到网络根文件系统中。

在开发板上将dtb设备树文件拷贝到/boot目录下，然后重启开发板.

如上图所示，在/sys/firmware/devicetree/base/路径下，存在Big-Miaomi-LED@0和Big-Miaomi-LED@1两个设备节点，这是我们在设备树文件中添加的两个节点，此时加载到了内核中。然后使用insmod led_drv.ko和insmod chip_led_opr.ko安装驱动程序。

如上图所示，此时执行测试程序，在命令行中输入./led_drv_test /dev/BigMiaomi_LED0 on，内核打印信息现实操作了GPIO3_1。

🍮应用层读取按键值

应用层读取按键值有4种方式：

• 查询方式
• 休眠-唤醒方式
• poll方式
• 异步通知方式

无论使用哪个方式都需要有按键驱动程序，通过这四种方式可以掌握一些驱动的基本技能：中断、休眠、唤醒、poll等机制。

这些基本技能是驱动开发的基础，其他大型驱动复杂的地方是它的框架及设计思想，但是基本技能就只有这些。

🍩查询方式

如上图所示查询方式的驱动模型，这种方式最简单，这里并不考虑驱动层中的架构，只看驱动层所做的工作。

在驱动程序中构造并注册一个file_operations结构体，里面提供对应的drv_open和drv_read函数，当应用层调用open系统调用时，在驱动层的drv_open函数中配置相应的引脚为输入引脚。

当应用层调用read系统调用时，在驱动层的drv_read函数中读取该GPIO引脚的寄存器，把引脚的状态返回给应用层。

• 读取引脚状态时，直接返回寄存器中的值，没有其他多余的动作。

🍩休眠唤醒方式

如上图所示休眠唤醒方式的驱动模型，在驱动层中的drv_open函数中，除了要把GPIO设置为输入引脚，还有注册GPIO的中断处理函数。

当应用层调用read系统调用时，在驱动层的drv_read驱动函数中：

1. 如果有按键数据，则直接返回给应用层。
2. 如果没有按键数据，则应用层的APP在内核态休眠。

当用户按下按键时，GPIO中断被触发，导致drv_open中注册的中断服务程序被执行，在中断服务程序中：

1. 记录按键数据。
2. 唤醒休眠中的应用层APP。

应用层的APP被唤醒以后，继续在内核态运行，即执行驱动层代码，把中断服务程序中记录的按键数据返回给应用层的APP。

• 没有读取到数据时，就会休眠，直到有按键数据到来才被唤醒。

🍩poll方式

上面的休眠-唤醒方式存在一个缺点：如果用户一直没有按下按键，那么应用层的APP就永远休眠阻塞不再执行了，所以可以给APP定个闹钟，这就是poll方式：

如上图所示poll驱动模型，poll是应用层实现多路转接的系统调用接口，在驱动层的file_operations结构体中，同样有一个poll函数指针：

如上图所示file_operations结构体的定义，所以当应用层的APP调用poll系统调用时，会调用到驱动层该结构体中poll函数指针指向的函数。

所以需要我们在驱动层去定义poll函数指针指向的函数，使得整个驱动层符合poll驱动模型。驱动层总体步骤为：

• 注册file_operations结构体，里面提供open，read，poll等驱动层的函数。
• 应用层APP调用open时，驱动层的drv_open会将GPIO设置为输入引脚，并且注册中断处理函数。
• 应用层APP调用poll/select时，意图是查询按键数据是否就绪，并且可以指定一个超时时间：
  • 当按键数据就绪时，驱动层的poll向应用层返回就绪状态，APP继续使用read读取按键数据。
  • 当按键数据没有就绪时，驱动层的poll就会在内核态休眠一段时间。

当APP被唤醒时，有两种情况：

1. 在休眠期间，硬件按键被按下，按键数据就绪。
2. 超时时间到了，硬件按键仍然没有按下，按键数据没有就绪。

被唤醒后进行判断，如果是数据就绪被唤醒，则调用read从按键的寄存器中读取按键数据，如果是超时被唤醒，则不调用read去读取了。

• poll/select起到监视事件就绪的作用，驱动层的drv_poll都会告诉应用层APP所监视事件的状态。
• APP根据驱动层告知的事件状态进行下一步动作。

🍩异步通知方式

如上图所示异步通知方式，在该模型中，应用层在打开要操作的设备时，要调用fcntl设置其fd的FASYNC标志，此时会调用驱动层的drv_fasync函数：

如上图所示，在file_operations结构体中也有一个fsync函数指针，在该模型中，该指针指向的函数只需要记录当前进程的PID。

除了设置给fd设置FASYNC表示异步通知外，还需要使用signal系统调用注册信号处理函数my_func。

此时该模型的处理步骤为：

• APP调用open配置GPIO引脚为输入方式，并注册中断服务函数。
• APP调用fcntl设置fd指向的文件为异步通知方式，并且注册信号处理函数.
• 当硬件按键被按下时，中断服务程序会给记录下来的进程PID表示的进程发送信号，信号递达后执行注册的my_func信号处理函数。
• 在信号处理函数中，调用read来读取按键数据，此时必然是有按键数据的。

• 在没有按键按下时，APP正常执行，当按键按下后立刻去读取按键数据，使得应用层实现了中断的处理方式。

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我们的驱动程序可以实现上述 4 种提供按键驱动的方法，但是驱动程序不应该限制APP使用哪种方法。

• 这就是驱动设计的一个原则：只提供能力，不提供策略。

就是说，APP想用哪种方法都行，驱动程序都可以提供；但是驱动程序不能限制APP使用哪种方法。

🍮查询方式实现按键驱动

前面介绍了按键的四种驱动模型，但是由于后面三种都涉及到中断方面的知识，而到目前为止本喵还没有介绍驱动程序中的中断，所以这里先仅用查询方式实现一下按键驱动程序：

如上图所示，采用简单的驱动层分层模型来实现查询方式的按键驱动层数：

• 应用层open/read系统调用和驱动层的drv_open/drv_read通过file_operations结构体来建立联系。
• 驱动层上层的drv_open/drv_read和驱动层下层的board_button_init/board_button_read通过button_opr结构体连建立联系。

驱动层下层的board_button_init/board_button_read由具体的单板提供：

• 驱动层下层的board_button_init根据设备号确定哪个按键，并将GPIO配置为输入引脚。
• 驱动层下层的board_button_read根据设备号确定哪个按键，并读取对应寄存器中的值返回引脚电平。

驱动层上层：

如上图所示，在button_operations.h中定义button_operations结构体：

• count：表示按键设备个数
• init：驱动层下层提供的初始化按键设备方法。
• read：驱动层下层提供的读取按键状态方法。

如上图所示，在button_drv.c中，创建file_operations结构体，并且用drv_open和drv_read初始化open和read函数指针：

• 在drv_open函数中，使用p_button_opr结构体中的init，根据次设备号进行初始化。
• 在drv_read函数中，使用p_button_opr结构体中的read，根据次设备号读取按键状态。
  • 将读取到的按键状态level拷贝到用户层缓冲区。

如上图所示，在入口函数button_init中使用register_chrdev向内核中注册file_operations结构体，并且获得主设备号。还要创建button_class设备类来提供设备信息。

在出口函数button_exit中，销毁设备类button_class，并且使用unregister_chrdev函数从内核中将前面注册的file_operations移除。

如上图，由于p_button_opr结构体指针是由驱动层下层提供的，所以驱动层上层要提供一个register_button_operations函数给下层，让下层向上层注册p_button_opr结构体。

• 在注册时，还要将所有按键设备使用device_create在文件系统中创建设备节点文件。
• 在卸载时，使用device_destroy将文件系统中的所有按键设备文件移除掉。

由于下层在使用这两个函数时会用到上层的button_class类，所以这两个函数需要使用EXPORT_SYMBOL导出给下层，供下层先使用。

如上图，最后完善一下设备信息，告诉内核哪个是入口函数，哪个是出口函数，并且声明该驱动程序使用GPL协议。

驱动层下层：

如上图所示，在驱动层下层的board_button.c文件中，创建button_operations结构体，并进行初始化：

• count：按键设备有两个。
• init：初始化按键设备的函数board_button_init。
• read：读取按键设备状态的函数board_button_read。

在入口函数中，使用驱动层上层提供的register_button_operations函数将下层创建的my_button_oprs结构体对象注册到上层，供上层使用下层提供的初始化和读取数据的方法。

在出口函数汇中，使用上层提供的unregister_button_operations函数移除在文件系统中创建的设备节点文件。

最后完善一下设备信息。

对于驱动层下层，重点在于初始化和读取数据函数的实现：

如上图所示IMX6ULL按键的电路原理图：

• KEY1：与GPIO5_1相连，按键按下时是低电平(0)，未按下时是高电平(1)。
• KEY2：与GPIO4_IO14相连，按键按下时是低电平(0)，未按下时是高电平(1)。

1. 使能GPIO

如上图所示使能GPIO的寄存器：

• CCM_CCGR1：物理地址是0x020C406C，其中的[31,30]控制GPIO5的使能，但是这里保留了，GPIO5默认使能，
• CCM_CCGR3：物理地址是0x020C4074，其中的[13,12]控制GPIO的使能，当这两个比特位为11时，GPIO4使能。

2. 选择GPIO模式

如上图所示IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER1寄存器：

• 物理地址是0x0229000C。
• MUX_MODE：这四个bit为101时，表示GPIO5_IO01引脚用作通用GPIO。

如上图所示IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_NAND_CE1_B寄存器：

• 物理地址是0x020E01B0。
• MUX_MODE：这四个bit为0101时，表示GPIO4_IO14引脚用作通用GPIO。

3. 设置GPIO方向

如上图所示内存映射表：

• GPIO5：该组寄存器的基地址是0x020AC000。
• GPIO4：该组寄存器的基地址是0x020A8000。

如上图所示GPIO所有寄存器的内存映射表，以GPIO4为例：

• 一共8个寄存器，每组GPIO都是这样。
• 从DR寄存器开始，到EDGE_SEL寄存器结束，地址从低到高，每个寄存器所占4个字节。

所以定义一个结构体来描述GPIO组中的所有寄存器：

如上图所示结构体，用该结构体创建gpio5和gpio4结构体对象来操作相应的GPIO。

如上图所示GDIR寄存器：

• 对于GPIO5_1：将gpio5->gdir的bit1设置为0，表示输入。
• 对于GPIO4_14：将gpio4->gdir的bit14设置为0，表示输入。

4. 读取按键状态：

如上图所示PSR寄存器：

• 对于GPIO5_1：gpio5->psr的bit1为0，表示按键按下，为低电平，为1，表示按键没有按下，为高电平。
• 对于GPIO4_14：gpio4->gdir的bit14为0，表示按键按下，为低电平，为1，表示按键没有按下，为高电平。

编程

如上图所示，在驱动层下层board_button.c中，将用到的寄存器全部定义出来，并且创建gpio4和gpio5两个结构体变量来表示GPIO。

board_button_init：

如上图所示初始化函数中：

• 将所有涉及到的寄存器都在内存中映射相应的虚拟地址，只映射一次。
  • 其中GPIO组进行整体映射，大小为struct imx6ull_gpio结构体的大小。
• 根据次设备号对GPIO口进行初始化，控制相关寄存器。
  • 使能GPIO组，设置引脚模式为通用GPIO，设置方向为输入。

board_button_read：

如上图所示读取按键数据的函数，根据次设备号确定读取gpio5还是gpio4中的psr寄存器，然后返回该寄存器中的值。

应用层测试函数：

如上图应用层测试函数，在测试的时候，命令行中输入./button_test /dev/BigMiaomi_button0或者./button_test /dev/BigMiaomi_button1，在mian函数中会使用read系统调用去获取按键状态，最终会调用驱动层下层的board_button_read函数。

• 如果打印1，表示按键没有按下。
• 如果打印0，表示按键按下。

如上图所示Makefile文件中，make以后：

• 会生成button_test可执行程序，用来测试。
• 会生成button_drv.ko和board_button.ko两个模块文件，用来安装驱动程序。

如上图所示，在开发板上安装两个按键的驱动程序，可以看到在./dev目录下有BigMiaomi_button0和BigMiaomi_button1两个设备节点。

如上图所示，在开发板上执行测试程序：

• 未在开发板上按下KEY1和KEY2两个按键时，打印出的值是1，表示高电平，和电路逻辑相符。
• 按下开发板上按下KEY1和KEY2两个按键时，打印出的值是0，表示低电平，和电路逻辑相符。

🍮总结

要会使用设备树向内核中注册设备节点，并且会对驱动程序做相应的修改。除此之外，要知道APP读取按键的四种方式，以及实现简单的APP按键驱动程序编程。