Linux驱动实践：如何编写【 GPIO 】设备的驱动程序？

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别人的经验，我们的阶梯!

大家好，我是道哥。

在前几篇文章中，我们一块讨论了：在 Linux 系统中，编写字符设备驱动程序的基本框架，主要是从代码流程和 API 函数这两方面触发。

这篇文章，我们就以此为基础，写一个有实际应用功能的驱动程序：

1. 在驱动程序中，初始化 GPIO 设备，自动创建设备节点;
2. 在应用程序中，打开 GPIO 设备，并发送控制指令设置 GPIO 口的状态;

示例程序目标

编写一个驱动程序模块：mygpio.ko。

当这个驱动模块被加载的时候，在系统中创建一个 mygpio 类设备，并且在 /dev 目录下，创建 4 个设备节点：

• /dev/mygpio0
• /dev/mygpio1
• /dev/mygpio2
• /dev/mygpio3

因为我们现在是在 x86 平台上来模拟 GPIO 的控制操作，并没有实际的 GPIO 硬件设备。

因此，在驱动代码中，与硬件相关部分的代码，使用宏 MYGPIO_HW_ENABLE 控制起来，并且在其中使用printk输出打印信息来体现硬件的操作。

在应用程序中，可以分别打开以上这 4 个 GPIO 设备，并且通过发送控制指令，来设置 GPIO 的状态。

编写驱动程序

以下所有操作的工作目录，都是与上一篇文章相同的，即：~/tmp/linux-4.15/drivers/。

创建驱动目录和驱动程序

$ cd linux-4.15/drivers/ 
$ mkdir mygpio_driver 
$ cd mygpio_driver 
$ touch mygpio.c 

mygpio.c 文件的内容如下(不需要手敲，文末有代码下载链接)：

#include <linux/module.h> 
#include <linux/kernel.h> 
#include <linux/ctype.h> 
#include <linux/device.h> 
#include <linux/cdev.h> 
 
// GPIO 硬件相关宏定义 
#define MYGPIO_HW_ENABLE 
 
// 设备名称 
#define MYGPIO_NAME     "mygpio" 
 
// 一共有４个 GPIO 口 
#define MYGPIO_NUMBER       4 
 
// 设备类 
static struct class *gpio_class; 
 
// 用来保存设备 
struct cdev gpio_cdev[MYGPIO_NUMBER]; 
 
// 用来保存设备号 
int gpio_major = 0; 
int gpio_minor = 0; 
 
#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE 
// 硬件初始化函数，在驱动程序被加载的时候(gpio_driver_init)被调用 
static void gpio_hw_init(int gpio) 
{ 
    printk("gpio_hw_init is called: %d. \n", gpio); 
} 
 
// 硬件释放 
static void gpio_hw_release(int gpio) 
{ 
    printk("gpio_hw_release is called: %d. \n", gpio); 
} 
 
// 设置硬件GPIO的状态，在控制GPIO的时候(gpio_ioctl)被调研 
static void gpio_hw_set(unsigned long gpio_no, unsigned int val) 
{ 
    printk("gpio_hw_set is called. gpio_no = %ld, val = %d. \n", gpio_no, val); 
} 
#endif 
 
// 当应用程序打开设备的时候被调用 
static int gpio_open(struct inode *inode, struct file *file) 
{ 
     
    printk("gpio_open is called. \n"); 
    return 0;    
} 
 
// 当应用程序控制GPIO的时候被调用 
static long gpio_ioctl(struct file* file, unsigned int val, unsigned long gpio_no) 
{ 
    printk("gpio_ioctl is called. \n"); 
     
    // 检查设置的状态值是否合法 
    if (0 != val && 1 != val) 
    { 
        printk("val is NOT valid! \n"); 
        return 0; 
    } 
 
    // 检查设备范围是否合法 
    if (gpio_no >= MYGPIO_NUMBER) 
    { 
        printk("dev_no is invalid! \n"); 
        return 0; 
    } 
 
    printk("set GPIO: %ld to %d. \n", gpio_no, val); 
 
#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE 
    // 操作 GPIO 硬件 
    gpio_hw_set(gpio_no, val); 
#endif 
 
    return 0; 
} 
 
static const struct file_operations gpio_ops={ 
    .owner = THIS_MODULE, 
    .open  = gpio_open, 
    .unlocked_ioctl = gpio_ioctl 
}; 
 
static int __init gpio_driver_init(void) 
{ 
    int i, devno; 
    dev_t num_dev; 
 
    printk("gpio_driver_init is called. \n"); 
 
    // 动态申请设备号(严谨点的话，应该检查函数返回值) 
    alloc_chrdev_region(&num_dev, gpio_minor, MYGPIO_NUMBER, MYGPIO_NAME); 
 
    // 获取主设备号 
    gpio_major = MAJOR(num_dev); 
    printk("gpio_major = %d. \n", gpio_major); 
 
    // 创建设备类 
    gpio_class = class_create(THIS_MODULE, MYGPIO_NAME); 
 
    // 创建设备节点 
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i) 
    { 
        // 设备号 
        devno = MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i); 
         
        // 初始化 cdev 结构 
        cdev_init(&gpio_cdev[i], &gpio_ops); 
 
        // 注册字符设备 
        cdev_add(&gpio_cdev[i], devno, 1); 
 
        // 创建设备节点 
        device_create(gpio_class, NULL, devno, NULL, MYGPIO_NAME"%d", i); 
    } 
 
#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE 
    // 初始化 GPIO 硬件 
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i) 
    { 
        gpio_hw_init(i); 
    } 
#endif 
 
    return 0; 
} 
 
static void __exit gpio_driver_exit(void) 
{ 
    int i; 
    printk("gpio_driver_exit is called. \n"); 
 
    // 删除设备和设备节点 
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i) 
    { 
        cdev_del(&gpio_cdev[i]); 
        device_destroy(gpio_class, MKDEV(gpio_major, gpio_minor + i)); 
    } 
 
    // 释放设备类 
    class_destroy(gpio_class); 
 
#ifdef MYGPIO_HW_ENABLE 
    // 释放 GPIO 硬件 
    for (i = 0; i < MYGPIO_NUMBER; ++i) 
    { 
        gpio_hw_release(i); 
    } 
#endif 
 
    // 注销设备号 
    unregister_chrdev_region(MKDEV(gpio_major, gpio_minor), MYGPIO_NUMBER); 
} 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
module_init(gpio_driver_init); 
module_exit(gpio_driver_exit); 

相对于前几篇文章来说，上面的代码稍微有一点点复杂，主要是多了宏定义 MYGPIO_HW_ENABLE 控制部分的代码。

比如：在这个宏定义控制下的三个与硬件相关的函数：

• gpio_hw_init()
• gpio_hw_release()
• gpio_hw_set()

就是与GPIO硬件的初始化、释放、状态设置相关的操作。

代码中的注释已经比较完善了，结合前几篇文章中的函数说明，还是比较容易理解的。

从代码中可以看出：驱动程序使用 alloc_chrdev_region 函数，来动态注册设备号，并且利用了 Linux 应用层中的 udev 服务，自动在 /dev 目录下创建了设备节点。

另外还有一点：在上面示例代码中，对设备的操作函数只实现了 open 和 ioctl 这两个函数，这是根据实际的使用场景来决定的。

这个示例中，只演示了如何控制 GPIO 的状态。

你也可以稍微补充一下，增加一个read函数，来读取某个GPIO口的状态。

控制 GPIO 设备，使用 write 或者 ioctl 函数都可以达到目的，只是 ioctl 更灵活一些。

创建 Makefile 文件

$ touch Makefile 

内容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),) 
    obj-m := mygpio.o 
else 
    KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build 
    PWD := $(shell pwd) 
default: 
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules 
clean: 
    $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean 
endif 

编译驱动模块

$ make 

得到驱动程序： mygpio.ko 。

加载驱动模块

在加载驱动模块之前，先来检查一下系统中，几个与驱动设备相关的地方。

先看一下 /dev 目录下，目前还没有设备节点( /dev/mygpio[0-3] )。

$ ls -l /dev/mygpio* 
ls: cannot access '/dev/mygpio*': No such file or directory 

再来查看一下 /proc/devices 目录下，也没有 mygpio 设备的设备号。

$ cat /proc/devices 

为了方便查看打印信息，把dmesg输出信息清理一下：

$ sudo dmesg -c 

现在来加载驱动模块，执行如下指令:

$ sudo insmod mygpio.ko 

当驱动程序被加载的时候，通过 module_init( ) 注册的函数 gpio_driver_init() 将会被执行，那么其中的打印信息就会输出。

还是通过 dmesg 指令来查看驱动模块的打印信息：

$ dmesg 

可以看到：操作系统为这个设备分配的主设备号是 244，并且也打印了GPIO硬件的初始化函数的调用信息。

此时，驱动模块已经被加载了!

来查看一下 /proc/devices 目录下显示的设备号：

$ cat /proc/devices 

设备已经注册了，主设备号是: 244 。

设备节点

由于在驱动程序的初始化函数中，使用 cdev_add 和 device_create 这两个函数，自动创建设备节点。

所以，此时我们在 /dev 目录下，就可以看到下面这4个设备节点：

现在，设备的驱动程序已经加载了，设备节点也被创建好了，应用程序就可以来控制 GPIO 硬件设备了。

应用程序

应用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目录下。

$ mkdir ~/tmp/App/app_mygpio 
$ cd ~/tmp/App/app_mygpio 
$ touch app_mygpio.c 

文件内容如下：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
#include <assert.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <sys/ioctl.h> 
 
#define MY_GPIO_NUMBER      4 
 
// 4个设备节点 
char gpio_name[MY_GPIO_NUMBER][16] = { 
    "/dev/mygpio0", 
    "/dev/mygpio1", 
    "/dev/mygpio2", 
    "/dev/mygpio3" 
}; 
 
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
    int fd, gpio_no, val; 
 
        // 参数个数检查 
    if (3 != argc) 
    { 
        printf("Usage: ./app_gpio gpio_no value \n"); 
        return -1; 
    } 
 
    gpio_no = atoi(argv[1]); 
    val = atoi(argv[2]); 
 
        // 参数合法性检查 
    assert(gpio_no < MY_GPIO_NUMBER); 
    assert(0 == val || 1 == val); 
 
    // 打开 GPIO 设备 
    if((fd = open(gpio_name[gpio_no], O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){ 
        printf("%s: open failed! \n", gpio_name[gpio_no]); 
        return -1; 
    } 
 
    printf("%s: open success! \n", gpio_name[gpio_no]); 
 
    // 控制 GPIO 设备状态 
    ioctl(fd, val, gpio_no); 
     
    // 关闭设备 
    close(fd); 
} 

以上代码也不需要过多解释，只要注意参数的顺序即可。

接下来就是编译和测试了：

$ gcc app_mygpio.c -o app_mygpio 

执行应用程序的时候，需要携带2个参数：GPIO 设备编号(0 ~ 3)，设置的状态值(0 或者 1)。

这里设置一下/dev/mygpio0这个设备，状态设置为1：

$ sudo ./app_mygpio 0 1 
[sudo] password for xxx: <输入用户密码> 
/dev/mygpio0: open success! 

如何确认/dev/mygpio0这个GPIO的状态确实被设置为1了呢?当然是看 dmesg 指令的打印信息：

$ dmesg 

通过以上打印信息可以看到：确实执行了【设置 mygpio0 的状态为 1】的动作。

再继续测试一下：设置 mygpio0 的状态为 0：

$ sudo ./app_mygpio 0 0 

当然了，设置其他几个GPIO口的状态，都是可以正确执行的!

卸载驱动模块

卸载指令：

$ sudo rmmod mygpio 

此时，/proc/devices 下主设备号 244 的 mygpio 已经不存在了.

再来看一下 dmesg的打印信息：

可以看到：驱动程序中的 gpio_driver_exit( ) 被调用执行了。

并且，/dev 目录下的 4 个设备节点，也被函数 device_destroy() 自动删除了!

本文转载自微信公众号「IOT物联网小镇」