Linux字符设备驱动开发的三种方式（分析+对比+示例）

一. 字符设备的驱动方法

字符设备驱动 是指在I/O传输过程中以字节流进行读写操作的设备。典型的如LCD、蜂鸣器、SPI、触摸屏等驱动，都属于字符设备驱动的范畴，Linux系统下的大部分的驱动程序都是属于字符设备驱动。

Linux 驱动 = Linux软件框架 + 硬件操作。 Linux驱动在系统中实际起到承上启下的作用，上承应用程序，对下则实现了具体的硬件操作。字符设备有非常多种，但无论何种字符设备，Linux软件框架的核心是不变的，差别就在于如何指定硬件资源。本文主要讲述三种字符设备的驱动框架：传统设备驱动模型、总线设备驱动模型、设备树驱动模型。

1. 传统设备驱动模型： 传统的Linux设备驱动模型将设备的一切操作都放在了一个文件当中，文件既包含了硬件相关的设备信息（例如引脚信息），也包含了对设备的操作函数，这种模型简单直观。但是由于设备信息和驱动代码杂糅在一起，一旦硬件信息发生改变（例如硬件更改引脚，或者需要移植到另外一个平台上），便需要修改驱动源码，然后重新编译，非常不利于扩展。

2. 平台总线设备驱动模型： 为了解决传统设备驱动不易扩展的问题，总线设备驱动使用虚拟总线将设备信息和驱动程序进行分离，其中设备信息指定对应硬件资源（例如引脚信息），驱动程序完成相应的逻辑操作。平台总线会维护两条链表，分别管理设备和驱动，当一个设备被注册到总线上时，总线会根据其名字搜索对应的驱动，如果找到就将设备信息导入驱动程序并执行驱动。当一个驱动被注册到平台总线的时候，总线也会搜索设备。总之，平台总线负责将设备信息和驱动代码进行匹配，这样就可以做到驱动和设备信息的分离。平台总线驱动模型将设备与驱动解耦开来，便于扩展与移植，但是冗余代码太多，且还是需要重新编译。

3. 设备树驱动模型： 设备树（dts文件）是描述计算机的特定硬件设备信息的数据结构，以便于操作系统的内核可以管理和使用这些硬件，包括CPU或CPU，内存，总线和其他一些外设。dtb文件（dtb为dts编译后的二进制文件）会被保存到ROM中，最终通过bootbolader被加载到内核，这样内核就可以通过解析设备树来让驱动去控制实际的硬件。通过设备树对硬件信息的抽象，驱动代码只要负责处理逻辑，而关于设备的具体信息存放到设备树文件中。因此，如果只是硬件接口信息的变化而没有驱动逻辑的变化，开发者只需要修改设备树文件信息，不需要改写驱动代码。设备树驱动模型相比于平台总线设备驱动模型，将所有的设备信息集成在了设备树文件当中，大大减少了冗余代码，且只在硬件信息更改的情况下无需重新编译，只需提供不同的设备树文件。

二. 三种方法的对比

假设某公司需要使用同一款芯片开发两款产品，分别为设备一与设备二。两个设备均需要使用IO引脚控制LED灯，但是引脚位置不同，下面分别使用传统设备驱动模型、平台总线设备驱动模型、 设备树驱动模型来开发，其中区别如下：

设备	传统设备驱动模型	总线设备驱动模型	设备树驱动模型
设备一	driver_gpio.c 1. 分配一个file_operations结构体。 2. 设置 file_operations。   - open 根据平台设备初始化GPIO引脚。   - write 根据应用程序控制引脚。   - close 释放硬件资源。 3. 注册设备（）。 4. module_init ( )入口函数。 5. module_exit ( )出口函数。	device_gpio.c 1. 分配一个 platform_device结构体。 2. 设置 platform_device。  - resource 指定GPIO引脚 3. 注册 platform_device。 4. module_init ( )入口函数。 5. module_exit ( )出口函数。 driver_gpio.c 1. 分配一个 platform_driver结构体。 2. 设置 platform_driver。   - probe    - 链接硬件资源 resource    - 分配 file_operation   - remove 3. 设置 file_operation   - open 初始化引脚   - write 根据应用程序控制引脚。   - close 释放硬件资源           4. 注册 platform_driver。 5. module_init ( )入口函数。 6. module_exit ( )出口函数。	dts 设备树文件 1. 根据需求在dts设备树文件中指定硬件资源（GPIO）。 2. 内核根据dts生成的dtb文件分配/设置/注册platform_device 。 driver_gpio.c 1. 分配一个 platform_driver结构体。 2. 设置 platform_driver。   - probe    - 链接硬件资源 resource    - 分配 file_operation   - remove 3. 设置 file_operation   - open 初始化引脚   - write 根据应用程序控制引脚。   - close 释放硬件资源 4. 注册 platform_driver。 5. module_init ( )入口函数。 6. module_exit ( )出口函数。
设备二	driver_gpio.c 1. 分配一个file_operations结构体。 2. 设置 file_operations。   - open 根据平台设备初始化GPIO引脚。   - write 根据应用程序控制引脚。   - close 释放硬件资源。 3. 注册设备。 4. module_init ( )入口函数。 4. module_exit ( )出口函数。	device_gpio.c 1. 分配一个 platform_device结构体。 2. 设置 platform_device。  - resource 指定GPIO引脚 3. module_init ( )入口函数。 4. module_exit ( )出口函数。 device_gpio.c 不变。	dts 设备树文件 1. 根据需求修改dts设备树文件中指定硬件资源（GPIO）。 2. 内核会根据dts生成的dtb文件分配/设置/注册platform_device 。 device_gpio.c 不变。
优缺点	优点：简单直观 缺点：不易扩展	优点：易扩展 缺点：代码冗余	优点：易扩展、无冗余代码 缺点：上手难度高

三. 开发环境

Soc芯片   ：全志V3s
开发环境  ：Ubuntu 20.04
开发板系统 ：Licheepi Linux
驱动程序交叉编译器 ：gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf

硬件电路 用的是用的是自己画的开发板，基于全志的V3s芯片，采用金手指的方式设计。芯片的PB4引脚连接了一颗黄色的LED灯，下面我们就以传统设备驱动模型、平台总线设备驱动模型、设备树驱动模型为例，写点简单的示例来驱动一个GPIO，从而点亮一颗灯。

软件系统 使用的荔枝派的主线uboot+主线Linux的方式，源码和编译器都可以再荔枝派的官网上找到（荔枝派官网）。不同的Linux开发板只在硬件的寄存器操作上有所不同，驱动框架是通用的，如果使用的也是全志的Soc，甚至源码可以直接复用。

四. 代码示例

以下示例均是驱动开发板的PB4引脚进行高低电平交替切换，交替频率为1s。

1. 传统设备驱动模型

driver_gpio.c

#include <linux/init.h>             /* module_init()等宏定义头文件   */
#include <linux/module.h>           /* MODULE_LICENSE等宏定义头文件  */          
#include <linux/gpio.h>             /* gpio 相关头文件              */
#include <linux/fs.h>               /* file_operations 的相关头文件 */
#include <linux/uaccess.h>          /* copy_from_user()的头文件    */
#include <linux/device.h>           /* class_destroy()等函数头文件  */#define SUNXI_PA_BASE	0
#define SUNXI_PB_BASE	32
#define SUNXI_PC_BASE	64
#define SUNXI_PD_BASE	96
#define SUNXI_PE_BASE	128
#define SUNXI_PF_BASE	160
#define SUNXI_PG_BASE	192
#define SUNXI_PH_BASE	224/* sunxi gpio name space */
#define GPIOA(n)	(SUNXI_PA_BASE + (n))
#define GPIOB(n)	(SUNXI_PB_BASE + (n))
#define GPIOC(n)	(SUNXI_PC_BASE + (n))
#define GPIOD(n)	(SUNXI_PD_BASE + (n))
#define GPIOE(n)	(SUNXI_PE_BASE + (n))
#define GPIOF(n)	(SUNXI_PF_BASE + (n))
#define GPIOG(n)	(SUNXI_PG_BASE + (n))
#define GPIOH(n)	(SUNXI_PH_BASE + (n))static int major = 0;
static struct class *gpio_class;static int gpio_open(struct inode *node,struct file *filp)
{/*申请GPIO*/if(gpio_request(GPIOB(4),"PB4")!=0){printk(KERN_ERR "GPIOB(4) init err!\n");//打印错误信息return -1;}/*设置为输出功能，输出0*/gpio_direction_output(GPIOB(4), 0);return 0;
}static int gpio_release(struct inode *node,struct file *filp)
{/*灭灯*/gpio_set_value(GPIOB(4), 0);/*释放GPIO硬件资源*/gpio_free(GPIOB(4));return 0;
}static ssize_t gpio_read(struct file *filp,char __user *buf,size_t size,loff_t *off)
{return 0;
}static ssize_t gpio_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t size,loff_t *off)
{unsigned char val_led;copy_from_user(&val_led,buf,1);if(val_led){/*GPIO输出高电平，开灯*/gpio_set_value(GPIOB(4), 1);}else{/*GPIO输出低电平，关灯*/gpio_set_value(GPIOB(4), 0);}return 1;
}static struct file_operations gpio_oprs = {.owner = THIS_MODULE,.open  = gpio_open,.read  = gpio_read,.write = gpio_write,.release = gpio_release,
};//入口：insmod
static int __init gpio_init(void)
{major = register_chrdev(0,"mygpio",&gpio_oprs);gpio_class = class_create(THIS_MODULE,"mygpio");/*  /dev/gpio  */device_create(gpio_class,NULL,MKDEV(major,0),NULL,"mygpio");printk("LED init ...\n");//打印提示信息return 0;
}//出口:rmmod
static void __exit gpio_exit(void)
{unregister_chrdev(major,"mygpio");device_destroy(gpio_class,MKDEV(major,0));class_destroy(gpio_class);printk(KERN_INFO "LED exit...\n");//打印提示信息
}/*三要素*/
module_init(gpio_init);
module_exit(gpio_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("LDL-1027221389.qq.com");//模块作者的声明
MODULE_DESCRIPTION("LED Driver");//当前模块的功能描述

驱动文件的Makefile文件如下：

ERNELDIR := /home/ldl13927222972/Linux_V3s/linux
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := driver_gpio.oexport ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=/opt/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabi-build: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

编译生成driver_gpio.ko文件，在开发板的终端使用insmod xx.ko加载驱动模块、使用rmmod xx卸载驱动模块、使用lsmod查看驱动模块。

app_gpio.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc,char *argv[])
{int fd;char *path = "/dev/mygpio";fd = open(path,O_RDWR);if(fd == -1){printf("can not open file %s\n",path);return -1;}while(1){   unsigned char gpio_status;gpio_status = 0;write(fd,&gpio_status,sizeof(gpio_status));sleep(1);gpio_status = 1;write(fd,&gpio_status,sizeof(gpio_status));sleep(1);}
}

应用程序的Makefile文件如下：

app_gpio:app_gpio.c/opt/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc -o app_gpio app_gpio.c
clean:rm -f app_gpio

在开发板终端加载好driver_gpio.ko模块后，直接执行编译好的app_gpio文件，就可以实现LED的闪烁效果。

2. 总线设备驱动模型

device_gpio.c

#include <linux/kernel.h>           /* ARRAY_SIZE()相关头文件 */
#include <linux/platform_device.h>  /* platform_device_register()相关头文件 */
#include <linux/module.h>           /* MODULE_LICENSE等宏定义头文件  */      /* 全志平台端口映射 */
#define SUNXI_PA_BASE	0
#define SUNXI_PB_BASE	32
#define SUNXI_PC_BASE	64
#define SUNXI_PD_BASE	96
#define SUNXI_PE_BASE	128
#define SUNXI_PF_BASE	160
#define SUNXI_PG_BASE	192
#define SUNXI_PH_BASE	224/* 全志平台端口映射 */
#define GPIOA(n)	(SUNXI_PA_BASE + (n))
#define GPIOB(n)	(SUNXI_PB_BASE + (n))
#define GPIOC(n)	(SUNXI_PC_BASE + (n))
#define GPIOD(n)	(SUNXI_PD_BASE + (n))
#define GPIOE(n)	(SUNXI_PE_BASE + (n))
#define GPIOF(n)	(SUNXI_PF_BASE + (n))
#define GPIOG(n)	(SUNXI_PG_BASE + (n))
#define GPIOH(n)	(SUNXI_PH_BASE + (n))/* 设置硬件资源 */
static struct resource gpio_resource[] = {[0] = {/* 引脚PB4的硬件描述*/.start = GPIOB(4),.end   = GPIOB(4),.flags = IORESOURCE_MEM,},
};static void gpio_release(struct device *dev)
{printk(KERN_INFO "Releasing GPIO device resources\n");
}static struct platform_device gpio_dev = {.name    = "mygpio",.id      = -1,.num_resources = ARRAY_SIZE(gpio_resource),.resource      = gpio_resource,.dev           = {.release = gpio_release,},
};/* 入口函数 */
static int __init gpio_dev_init(void)
{/* 注册平台设备 */platform_device_register(&gpio_dev);return 0;
}/* 出口函数 */
static void __exit gpio_dev_exit(void)
{/* 删除平台设备 */platform_device_unregister(&gpio_dev);
}module_init(gpio_dev_init);
module_exit(gpio_dev_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("LDL");
MODULE_DESCRIPTION("Platform device model");

driver_gpio.c

#include <linux/init.h>             /* module_init()等宏定义头文件   */
#include <linux/module.h>           /* MODULE_LICENSE等宏定义头文件  */          
#include <linux/gpio.h>             /* gpio 相关头文件              */
#include <linux/fs.h>               /* file_operations 的相关头文件 */
#include <linux/uaccess.h>          /* copy_from_user()的头文件    */
#include <linux/device.h>           /* class_destroy()等函数头文件  */
#include <linux/platform_device.h>  /* platform_device_register()等函数头文件 */static int major = 0;
static int gpio_1;static struct class *gpio_class;static int gpio_open(struct inode *node,struct file *filp)
{/*申请GPIO*/if(gpio_request(gpio_1,"PB4")!=0){printk(KERN_ERR "GPIOB(4) init err!\n");//打印错误信息return -1;}/*设置为输出功能，输出0*/gpio_direction_output(gpio_1, 0);return 0;
}static int gpio_release(struct inode *node,struct file *filp)
{/*灭灯*/gpio_set_value(gpio_1, 0);/*释放GPIO硬件资源*/gpio_free(gpio_1);return 0;
}static ssize_t gpio_read(struct file *filp,char __user *buf,size_t size,loff_t *off)
{return 0;
}static ssize_t gpio_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t size,loff_t *off)
{unsigned char val_led;copy_from_user(&val_led,buf,1);if(val_led){/*GPIO输出高电平，开灯*/gpio_set_value(gpio_1, 1);}else{/*GPIO输出低电平，关灯*/gpio_set_value(gpio_1, 0);}return 1;
}static struct file_operations gpio_oprs = {.owner = THIS_MODULE,.open  = gpio_open,.read  = gpio_read,.write = gpio_write,.release = gpio_release,
};static int gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{struct resource *pin_1;/* 根据platform_device链接硬件资源 */pin_1 = platform_get_resource(pdev,IORESOURCE_MEM,0);gpio_1 = pin_1->start;major = register_chrdev(0,"mygpio",&gpio_oprs);gpio_class = class_create(THIS_MODULE,"mygpio");/*  /dev/mygpio  */device_create(gpio_class,NULL,MKDEV(major,0),NULL,"mygpio");return 0;
}int static gpio_remove(struct platform_device *pdev)
{unregister_chrdev(major,"mygpio");device_destroy(gpio_class,MKDEV(major,0));class_destroy(gpio_class);return 0;}struct platform_driver gpio_drv = {.probe   = gpio_probe,.remove  = gpio_remove,.driver  = {.name = "mygpio",}
};//入口：insmod
static int __init gpio_init(void)
{	/* 注册平台驱动 */platform_driver_register(&gpio_drv);printk("LED init ...\n");//打印提示信息return 0;
}//出口:rmmod
static void __exit gpio_exit(void)
{/* 删除平台驱动 */platform_driver_unregister(&gpio_drv);printk(KERN_INFO "LED exit...\n");//打印提示信息
}/*三要素*/
module_init(gpio_init);
module_exit(gpio_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("LDL-1027221389.qq.com");//模块作者的声明
MODULE_DESCRIPTION("LED Driver");//当前模块的功能描述

两个文件的Makefile文件如下：

KERNELDIR := /home/ldl13927222972/Linux_V3s/linux
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m += driver_gpio.o
obj-m += device_gpio.oexport ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=/opt/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabi-build: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

编译生成driver_gpio.ko、device_gpio.ko文件，在开发板的终端使用insmod xx.ko分别加载两个模块。再执行应用程序，便可以使得LED灯闪烁。

app_gpio.c

与传统设备驱动模型中的应用程序相同，都是通过open与write函数操作dev/mygpio文件。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc,char *argv[])
{int fd;char *path = "/dev/mygpio";fd = open(path,O_RDWR);if(fd == -1){printf("can not open file %s\n",path);return -1;}while(1){   unsigned char gpio_status;gpio_status = 0;write(fd,&gpio_status,sizeof(gpio_status));sleep(1);gpio_status = 1;write(fd,&gpio_status,sizeof(gpio_status));sleep(1);}
}

应用程序的Makefile文件如下：

app_gpio:app_gpio.c/opt/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc -o app_gpio app_gpio.c
clean:rm -f app_gpio

3. 设备树驱动模型

dts设备树修改

设备树加入以下内容：

mygpio {compatible = "my-gpio";my-gpios = <&pio 1 4 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* PB4 */};

需检查设备树的其他内容，避免出现PB4引脚被其他所占用的情况。

driver_gpio.c

#include <linux/init.h>             /* module_init()等宏定义头文件   */
#include <linux/module.h>           /* MODULE_LICENSE等宏定义头文件  */          
#include <linux/gpio.h>             /* gpio 相关头文件              */
#include <linux/fs.h>               /* file_operations 的相关头文件 */
#include <linux/uaccess.h>          /* copy_from_user()的头文件    */
#include <linux/device.h>           /* class_destroy()等函数头文件  */
#include <linux/platform_device.h>  /* platform_device_register()等函数头文件 */#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/gpio.h>         // 用于 GPIO 操作
#include <linux/of_gpio.h>      // 用于设备树 GPIO 操作
#include <linux/of.h>           // 用于设备树操作static int major = 0;
static int gpio_num;  // 使用 gpio_num 来存储 GPIO 引脚编号static struct class *gpio_class;static int gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{gpio_num = of_get_named_gpio(pdev->dev.of_node, "my-gpios", 0);if (gpio_num < 0) {pr_err("Failed to get GPIO from device tree\n");return gpio_num;}/* 初始化 GPIO */if (gpio_request(gpio_num, "PB4") != 0) {pr_err("Failed to request GPIO %d\n", gpio_num);return -1;}gpio_direction_output(gpio_num, 0);  // 设置为输出，初始为 0// 注册字符设备major = register_chrdev(0, "mygpio", &gpio_oprs);if (major < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to register char device\n");gpio_free(gpio_num);  // 释放 GPIO 资源return major;}// 创建 class 和 devicegpio_class = class_create(THIS_MODULE, "mygpio");if (IS_ERR(gpio_class)) {unregister_chrdev(major, "mygpio");gpio_free(gpio_num);return PTR_ERR(gpio_class);}device_create(gpio_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "mygpio");return 0;
}static int gpio_remove(struct platform_device *pdev)
{unregister_chrdev(major, "mygpio");device_destroy(gpio_class, MKDEV(major, 0));class_destroy(gpio_class);return 0;
}struct platform_driver gpio_drv = {.probe   = gpio_probe,.remove  = gpio_remove,.driver  = {.name = "mygpio",}
};static int gpio_open(struct inode *node, struct file *filp)
{/* 设置为输出功能，输出0 */gpio_direction_output(gpio_num, 0);return 0;
}static int gpio_release(struct inode *node, struct file *filp)
{/* 灭灯 */gpio_set_value(gpio_num, 0);/* 释放 GPIO 硬件资源 */gpio_free(gpio_num);return 0;
}static ssize_t gpio_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *off)
{return 0;
}static ssize_t gpio_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *off)
{unsigned char val_led;copy_from_user(&val_led, buf, 1);if (val_led) {/* GPIO 输出高电平，开灯 */gpio_set_value(gpio_num, 1);} else {/* GPIO 输出低电平，关灯 */gpio_set_value(gpio_num, 0);}return 1;
}static struct file_operations gpio_oprs = {.owner = THIS_MODULE,.open  = gpio_open,.read  = gpio_read,.write = gpio_write,.release = gpio_release,
};// 入口：insmod
static int __init gpio_init(void)
{/* 注册平台驱动 */platform_driver_register(&gpio_drv);printk("LED init ...\n");  // 打印提示信息return 0;
}// 出口：rmmod
static void __exit gpio_exit(void)
{/* 删除平台驱动 */platform_driver_unregister(&gpio_drv);printk(KERN_INFO "LED exit...\n");  // 打印提示信息
}/* 三要素 */
module_init(gpio_init);
module_exit(gpio_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("LDL-1027221389.qq.com");  // 模块作者的声明
MODULE_DESCRIPTION("LED Driver");  // 当前模块的功能描述

app_gpio.c

与传统设备驱动模型以及总线设备驱动模型程序相同，都是通过open与write函数操作dev/mygpio文件。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main(int argc,char *argv[])
{int fd;char *path = "/dev/mygpio";fd = open(path,O_RDWR);if(fd == -1){printf("can not open file %s\n",path);return -1;}while(1){   unsigned char gpio_status;gpio_status = 0;write(fd,&gpio_status,sizeof(gpio_status));sleep(1);gpio_status = 1;write(fd,&gpio_status,sizeof(gpio_status));sleep(1);}
}

应用程序的Makefile文件如下：

app_gpio:app_gpio.c/opt/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc -o app_gpio app_gpio.c
clean:rm -f app_gpio

五. 相关链接

1. 全志 linux-sunxi 官网 ：https://linux-sunxi.org/。
2. 荔枝派Zero官网：https://wiki.sipeed.com/soft/Lichee/zh/Zero-Doc/Start/board_intro.html
3. 本文所写的所有代码示例：https://download.csdn.net/download/weixin_44793491/90178263