我在ARM板上写的第一个驱动程序

摘要：搞嵌入式有两个方向，一个是嵌入式软件开发(MCU方向)，另一个是嵌入式软件开发(Linux方向)。其中MCU方向基本是裸机开发和RTOS开发。而Linux开发方向又分为驱动开发和应用开发。其中应用开发相比于驱动开发来说简单一些，因为搞驱动你要和Linux内核打交道。而我们普通的单片机开发就是应用开发，和Linux开发没多大区别，单片机你去调别人写好的库，Linux应用你也是调别人的驱动程序。

很多人学习的路线是：单片机到RTOS，再到Linux，这个路线其实是非常好，循序渐进。因为你学了单片机，所以你对RTOS的学习会很容易理解，单片机+RTOS在市面上也可以找到一个很好的工作。因为你学了RTOS，你会发现Linux驱动开发其实和RT-Thread的驱动程序非常像，其实RT-Thread驱动大概率可能是仿Linux驱动而写的。所以如果你现在在学RT-Thread，那么你后面去搞Linux驱动也是非常容易上手。

当然做驱动去之前你还是要学习一下ubuntu操作系统、ARM裸机和linux系统移植，其目的就是为学习嵌入式linux驱动开发做准备。

话不多说先来一个hello驱动程序。

在Linux中，驱动分为三大类：

我使用的Linux内核版本为 4.1.15，其支持设备树Device tree。开发板是正点原子送的Linux-MINI板，你用其他家的板子也是一样的，没有任何影响。

一、字符设备驱动简介

字符设备是Linux驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、IIC、SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

那么在Linux下的应用程序是如何调用驱动程序的呢？Linux 应用程序对驱动程序的调用如图所示：

Linux应用程序对驱动程序的调用流程

在Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在/dev目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为/dev/xxx(xxx是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。

写驱动的人必须要懂linux内核，因为驱动程序就是根据内核的函数去写的，写应用的人不需要懂linux内核，只需要熟悉驱动函数就可以了。

比如现在有个叫做/dev/led的驱动文件，是led灯的驱动文件。应用程序使用open函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用close函数关闭/dev/led 这个文件。open和 close 就是打开和关闭led驱动的函数，如果要点亮或关闭led，那么就使用write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开led的控制参数。如果要获取led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。

应用程序运行在用户空间，而Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用open函数打开/dev/led这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。

open、close、write 和read等这些函数是由C库提供的，在Linux系统中，系统调用作为C库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如图所示：

open函数调用流程

其中关于C库以及如何通过系统调用“陷入”到内核空间这个我们不用去管，我们关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了open这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为open的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数。

在Linux内核文件include/linux/fs.h中有个叫做file_operations的结构体，此结构体就是Linux内核驱动操作函数集合，我们可以将linux内核文件下载下来，然后用source insight打开看看。内容如下所示：

点击此处下载linux内核源码

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Linux内核

struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
int (*check_flags)(int);
int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
loff_t len);
void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
};

二、字符设备驱动开发

学习裸机或者STM32的时候关于驱动的开发就是初始化相应的外设寄存器，在Linux驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器，这个是毫无疑问的。只是在Linux驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动，所以说学Linux驱动开发重点是学习其驱动框架。

2.1 APP打开的文件在内核中如何表示

APP使用open函数打开文件时，可以得到一个整数，这个整数被称为文件句柄。对于APP的每一个文件句柄，在内核里面都有一个struct file与之对应。

struct file

我们使用open打开文件时，传入的 flags、mode等参数会被记录在内核中对应的struct file结构体里(f_flags、f_mode)：

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

去读写文件时，文件的当前偏移地址也会保存在struct file结构体的f_pos成员里。

open->struct file

打开字符设备节点时，内核中也有对应的struct file注意这个结构体中的结构体：struct file_operations *f_op，这是由驱动程序提供的。

驱动程序的 struct file