1.5设备驱动Hello World：LED驱动
1.5.1无操作系统时的LED驱动
在嵌入式系统的设计中，LED一般直接由CPU的GPIO（通用可编程I/O口）控制。GPIO一般由两组寄存器控制，即一组控制寄存器和一组数据寄存器。控制寄存器可设置GPIO口的工作方式为输入还是输出。当引脚被设置为输出时，向数据寄存器的对应位写入1和0会分别在引脚上产生高电平和低电平；当引脚设置为输入时，读取数据寄存器的对应位可获得引脚上的电平为高还是低。
在本例子中，我们屏蔽具体CPU的差异，假设在GPIO_REG_CTRL物理地址处的控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO为输出，在地址GPIO_REG_DATA物理地址处的数据寄存器的第n位写入1或0可在引脚上产生高或低电平，则无操作系统的情况下，设备驱动为代码清单1-3。
代码清单1-3 无操作系统时的LED驱动
1 #define reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL))
2 #define reg_gpio_data *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_DATA))
3 /*初始化LED*/
4 void LightInit(void)
5 {
6 reg_gpio_ctrl |= (1 << n); /*设置GPIO为输出*/
7 }
8
9 /*点亮LED*/
10 void LightOn(void)
11 {
12 reg_gpio_data |= (1 << n); /*在GPIO上输出高电平*/
13 }
14
15 /*熄灭LED*/
16 void LightOff(void)
17 {
18 reg_gpio_data &= ~(1 << n); /*在GPIO上输出低电平*/
19 }
上述程序中的LightInit()、LightOn()、LightOff()都直接作为驱动提供给应用程序的外部接口函数。程序中ToVirtual()的作用是当系统启动了硬件MMU之后，根据物理地址和虚拟地址的映射关系，将寄存器的物理地址转化为虚拟地址。
1.5.2 Linux下的LED驱动
当在Linux操作系统下编写对应于代码清单1-3的LED设备清单时，操作硬件的LightInit()、LightOn()、LightOff()这些函数仍然需要，但是，遵循Linux编程的命名习惯，重新将其命名为light_init()、light_on()、light_off()。这些函数将被LED设备驱动中独立于设备的针对内核的接口进行调用，代码清单1-4给出了Linux下LED的驱动，此时读者并不需要能读懂这些代码。
代码清单1-4 Linux操作系统下LED的驱动
1 #include .../*包含内核中的多个头文件*/
2
3 /*设备结构体*/
4 struct light_dev
5 {
6 struct cdev cdev; /*字符设备cdev结构体*/
7 unsigned char vaule; /*LED亮时为1，熄灭时为0，用户可读写此值*/
8 };
9
10 struct light_dev *light_devp;
11 int light_major = LIGHT_MAJOR;
12
13 MODULE_AUTHOR("Song Baohua");
14 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
15
16 /*打开和关闭函数*/
17 int light_open(struct inode *inode, struct file *filp)
18 {
19 struct light_dev *dev;
20 /* 获得设备结构体指针 */
21 dev = container_of(inode->i_cdev, struct light_dev, cdev);
22 /* 让设备结构体作为设备的私有信息 */
23 filp->private_data = dev;
24 return 0;
25 }
26 int light_release(struct inode *inode, struct file *filp)
27 {
28 return 0;
29 }
30
31 /*写设备:可以不需要 */
32 ssize_t light_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count,
33 loff_t*f_pos)
34 {
35 struct light_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体 */
36
37 if (copy_to_user(buf, &(dev->value), 1))
38 {
39 return - EFAULT;
40 }
41 return 1;
42 }
43
44 ssize_t light_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,
45 loff_t *f_pos)
46 {
47 struct light_dev *dev = filp->private_data;
48
49 if (copy_from_user(&(dev->value), buf, 1))
50 {
51 return - EFAULT;
52 }
53 /*根据写入的值点亮和熄灭LED*/
54 if (dev->value == 1)
55 light_on();
56 else
57 light_off();
58
59 return 1;
60 }
61
62 /* ioctl函数 */
63 int light_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd,
64 unsigned long arg)
65 {
66 struct light_dev *dev = filp->private_data;
67
68 switch (cmd)
69 {
70 case LIGHT_ON:
71 dev->value = 1;
72 light_on();
73 break;
74 case LIGHT_OFF:
75 dev->value = 0;
76 light_off();
77 break;
78 default:
79 /* 不能支持的命令 */
80 return - ENOTTY;
81 }
82
83 return 0;
84 }
85
86 struct file_operations light_fops =
87 {
88 .owner = THIS_MODULE,
89 .read = light_read,
90 .write = light_write,
91 .ioctl = light_ioctl,
92 .open = light_open,
93 .release = light_release,
94 };
95
96 /*设置字符设备cdev结构体*/
97 static void light_setup_cdev(struct light_dev *dev, int index)
98 {
99 int err, devno = MKDEV(light_major, index);
100
101 cdev_init(&dev->cdev, &light_fops);
102 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
103 dev->cdev.ops = &light_fops;
104 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
105 if (err)
106 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);
107 }
108
109 /*模块加载函数*/
110 int light_init(void)
111 {
112 int result;
113 dev_t dev = MKDEV(light_major, 0);
114
115 /* 申请字符设备号*/
116 if (light_major)
117 result = register_chrdev_region(dev, 1, "LED");
118 else
119 {
120 result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "LED");
121 light_major = MAJOR(dev);
122 }
123 if (result < 0)
124 return result;
125
126 /* 分配设备结构体的内存 */
127 light_devp = kmalloc(sizeof(struct light_dev), GFP_KERNEL);
128 if (!light_devp) /*分配失败*/
129 {
130 result = - ENOMEM;
131 goto fail_malloc;
132 }
133 memset(light_devp, 0, sizeof(struct light_dev));
134 light_setup_cdev(light_devp, 0);
135 light_init();
136 return 0;
137
138 fail_malloc: unregister_chrdev_region(dev, light_devp);
139 return result;
140 }
141
142 /*模块卸载函数*/
143 void light_cleanup(void)
144 {
145 cdev_del(&light_devp->cdev); /*删除字符设备结构体*/
146 kfree(light_devp); /*释放在light_init中分配的内存*/
147 unregister_chrdev_region(MKDEV(light_major, 0), 1); /*删除字符设备*/
148 }
149
150 module_init(light_init);
151 module_exit(light_cleanup);
上述代码的行数与代码清单1-3已经不能比拟，除了代码清单1-3中的硬件操作函数仍然需要外，代码清单1-4中还包含了大量对我们暂时陌生的元素，如结构体file_operations、cdev，Linux内核模块声明用的MODULE_AUTHOR、 MODULE_LICENSE、module_init、module_exit，以及用于字符设备注册、分配和注销用的函数register_chrdev_region()、alloc_chrdev_region()、unregister_chrdev_region()等。我们也不能理解为什么驱动中要包含light_init ()、light_cleanup ()、light_read()、light_write()等这样的函数。
此时，我们只需要有一个感性认识，那就是，上述暂时陌生的元素都是Linux内核给字符设备定义的为实现驱动与内核接口而定义的。Linux对各类设备的驱动都定义了类似的数据结构和函数。
1.6全书结构
本书第一篇给您打下Linux设备驱动的基础。第1章简要地介绍了设备驱动的作用，并从无操作系统的设备驱动引出了Linux操作系统下的设备驱动。第2章系统地讲解了一个Linux驱动工程师应该掌握的硬件知识，为工程师打下Linux驱动编程的硬件基础。它涵盖了各种类型的CPU、存储器和常见的外设，并阐述了硬件时序分析方法和数据手册阅读方法。第3章将Linux设备驱动放在Linux 2.6内核背景中进行讲解，说明Linux内核的编程方法。由于驱动编程也内核编程的范畴，因此，这一章实质是为编写Linux设备驱动打下软件基础。
第二篇讲解Linux设备驱动编程的基础理论、字符设备驱动及设备驱动设计中涉及的并发控制、同步等问题。第4、5章分别讲解Linux内核模块和Linux设备文件系统，第6～9章以一个虚拟的设备globalmem为主线，逐步给其添加高级控制功能，第10、11章分别阐述Linux驱动编程中所涉及到的中断和定时器、内核和I/O操作处理方法，本篇的第12章给出了Linux字符设备驱动的多个综合实例，将4～11章的知识在具体设备驱动中进行实践。
第三篇剖析复杂设备驱动的体系架构，每一章都给出了具体的实例。所涉及到的设备包括块设备、终端设备、I2C适配器与I2C设备、网络设备、PCI设备、USB设备、LCD设备、FLASH设备等。这一部分的讲解方法是抽象与具体相结合，先以模板的形式给出各种设备驱动的设计，然后用具体实例设备的驱动填充对应的模板。
第四篇分析了Linux设备驱动的调试和移植方法。由于在Linux设备驱动的设计工作中人们强调多快好省，因此，如果能方便地把现有的其它平台中的驱动移植到Linux 2.6平台，或者将类似设备的驱动进行简单地修改就运用于新的设备，那将会极大地缩短工程的实施时间。本书的最后几章对Linux设备驱动移植中涉及的理论以及移植的技巧进行了阐述。
