Linux驱动学习（三）平台总线设备驱动模型

程序员文章站 2022-07-14 10:01:28

...

前言

Linux驱动的核心是向内核注册我们实现的file_operation结构体。编写GPIO类如LED的驱动可以非常简单，我们只需要实现file_operation结构体中的函数，具体为在open函数中实现对GPIO的初始化，在write函数中实现对GPIO的操作。这种方式虽然简单，但是缺点非常明显，把驱动和硬件操作绑定在一起，当我们更换引脚甚至是板子时，就需要重新编写，这时就需要引入分离分层的思想，将驱动层和硬件资源层分离。Linux的platform总线-设备-驱动模型就为我们提供了这样的方法。

1、总线设备驱动模型

平台总线-设备-驱动驱动模型示意图：
Linux驱动学习（三）平台总线设备驱动模型
平台总线platform是虚拟的总线，通过这三条总线可以实现对设备资源和驱动层的分离，需要做的主要工作可以简单概括为：

向内核注册硬件platform_device结构体
向内核注册驱动platform_driver结构体
实现platform_driver的成员函数probe，在里面进行设备创建

在board_A_led.c中定义我们的设备device结构体：

static struct platform_device board_A_led_dev = {
        .name = "100ask_led",
        .num_resources = ARRAY_SIZE(resources),
        .resource = resources,
        .dev = {
                .release = led_dev_release,
         },
};

在chip_demo_gpio.c中，定义我们的driver结构体：

static struct platform_driver chip_demo_gpio_driver = {
    .probe      = chip_demo_gpio_probe,//drv-dev匹配函数
    .remove     = chip_demo_gpio_remove,
    .driver     = {
        .name   = "100ask_led",
    },
};

chip_demo_gpio_driver 和board_A_led_dev结构体中的name成员值均为100ask_led，这个成员非常重要，在platform_device和platform_driver结构体中name的值相同说明这个设备和这个驱动的关系是两者匹配，后面会说明其他的设备-驱动匹配方式。

1.1 匹配流程

当我们调用设备的入口函数安装驱动时，会使用函数platform_device_register向内核注册我们的platform_device结构体，注册后内核就会根据匹配的规则调用函数层层查找符合条件的驱动，查找到匹配的驱动时，就会进行绑定，最后调用platform_driver的成员函数probe，进行设备的创建和初始化等工作。
设备-驱动匹配时的函数调用关系如下：
Linux驱动学习（三）平台总线设备驱动模型
注意：注册device和driver并没有先后顺序之分，最终都会调用platform_driver中的probe函数创建设备节点。也就是说，只有两个结构体都注册到内核中，设备-驱动才可以进行匹配，在/dev/目录下创建设备节点。

1.2 匹配规则

前面我们所采用的是name成员进行设备-驱动的匹配的，下面是一些详细的匹配规则。
首选我们来看一下platform_device结构体：

struct platform_device {
	const char	*name;
	int		id;
	bool		id_auto;
	struct device	dev;
	u32		num_resources;
	struct resource	*resource;

	const struct platform_device_id	*id_entry;
	char *driver_override; /* Driver name to force a match */

	/* MFD cell pointer */
	struct mfd_cell *mfd_cell;

	/* arch specific additions */
	struct pdev_archdata	archdata;
};

记住几个比较重要的成员：name、driver_override。

然后就是platform_driver结构体：

struct platform_driver {
	int (*probe)(struct platform_device *);
	int (*remove)(struct platform_device *);
	void (*shutdown)(struct platform_device *);
	int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);
	int (*resume)(struct platform_device *);
	struct device_driver driver;
	const struct platform_device_id *id_table;
	bool prevent_deferred_probe;
};

platform_driver 的成员结构体driver的类型device_driver定义：

struct device_driver {
	const char		*name;
	struct bus_type		*bus;

	struct module		*owner;
	const char		*mod_name;	/* used for built-in modules */

	bool suppress_bind_attrs;	/* disables bind/unbind via sysfs */
	enum probe_type probe_type;

	const struct of_device_id	*of_match_table;
	const struct acpi_device_id	*acpi_match_table;

	int (*probe) (struct device *dev);
	int (*remove) (struct device *dev);
	void (*shutdown) (struct device *dev);
	int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state);
	int (*resume) (struct device *dev);
	const struct attribute_group **groups;

	const struct dev_pm_ops *pm;

	struct driver_private *p;
};

记住上面两个结构体的几个重要成员：name、id_table。

1.3 具体匹配项

总线中有一个platform_match函数，用于将平台设备和驱动进行绑定，函数内容如下：
Linux驱动学习（三）平台总线设备驱动模型

由platform_match函数可以看出，设备和驱动匹配时，比较匹配流程为：

首先，判断设备driver_override是否为空，存在driver_override项，说明此设备需要强制选择一个对应驱动，这个驱动的名字由驱动drv的name成员存放，直接返回driver_override和drv->name这两项的比较结果，不再进行后续查找匹配。

然后，是设备树节点和ACPI的方法。

接着，查看驱动platform_driver的成员id_table是否为空，这个成员含有多项时，说明此驱动支持多个设备，return会返回platform_match_id的结果，这个函数会将platform_driver.id_table[i].name成员与platform_device.name进行比较，判断此驱动支持的设备中是否包含当前的设备。

static const struct platform_device_id *platform_match_id(
			const struct platform_device_id *id,
			struct platform_device *pdev)
{
	while (id->name[0]) {
		if (strcmp(pdev->name, id->name) == 0) {
			pdev->id_entry = id;
			return id;
		}
		id++;
	}
	return NULL;
}

最后，如果前面的匹配方法都没使用，
就会判断platform_device.name 和 platform_driver.driver.name，这是最后的匹配规则，如果这个规则也没设定，则设备和驱动无法通过平台总线匹配。

所以主要的匹配项(忽略设备树和ACPI方法)为：

platform_device.driver_override和 platform_driver.driver.name
platform_device.name 和 platform_driver.id_table[i].name
platform_device.name 和 platform_driver.driver.name

2、使用总线驱动模型

这里以简单的LED字符设备驱动为例，使用platform_device.name 和 platform_driver.driver.name匹配项进行匹配的方法，编写总线设备驱动，实现硬件资源和驱动核心的分离。

2.1 文件说明

涉及驱动的主要文件为：
Linux驱动学习（三）平台总线设备驱动模型

在leddrv.c中是file_operations结构体成员函数的实现，在入口函数中向内核注册file_operation结构体，向上层应用程序提供方法，是Linux驱动的核心所在；
在board_A_led.c中，对封装GPIO的引脚名称等硬件资源，定义board_A_led_dev为platform_device类型，入口函数led_dev_init中，向内核注册platform_device平台设备结构体。
chip_demo_gpio.c与上面的结构类似，在入口函数中注册platform_driver结构体，同时在probe中创建设备节点，当device和driver匹配时，就会调用platform_driver结构体的probe函数。

使用platform_device.name 和 platform_driver.driver.name匹配项进行匹配的方法，所以在我们的platform_device和platform_driver结构体的成员driver的name必须相等，结构体定义如下：

platform_device ：

static struct platform_device board_A_led_dev = {
        .name = "100ask_led",
        .num_resources = ARRAY_SIZE(resources),
        .resource = resources,
        .dev = {
                .release = led_dev_release,
         },
};

platform_driver ：

static struct platform_driver chip_demo_gpio_driver = {
    .probe      = chip_demo_gpio_probe,
    .remove     = chip_demo_gpio_remove,
    .driver     = {
        .name   = "100ask_led",
    },
};

2.2 源码

leddrv.c:

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>

#include "led_opr.h"


/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *led_class;
struct led_operations *p_led_opr;


#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)


void led_class_create_device(int minor)
{
	device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, minor), NULL, "100ask_led%d", minor); /* /dev/100ask_led0,1,... */
}
void led_class_destroy_device(int minor)
{
	device_destroy(led_class, MKDEV(major, minor));
}
void register_led_operations(struct led_operations *opr)
{
	p_led_opr = opr;
}

EXPORT_SYMBOL(led_class_create_device);
EXPORT_SYMBOL(led_class_destroy_device);
EXPORT_SYMBOL(register_led_operations);



/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/* write(fd, &val, 1); */
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	char status;
	struct inode *inode = file_inode(file);
	int minor = iminor(inode);
	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_from_user(&status, buf, 1);

	/* 根据次设备号和status控制LED */
	p_led_opr->ctl(minor, status);
	
	return 1;
}

static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	int minor = iminor(node);
	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	/* 根据次设备号初始化LED */
	p_led_opr->init(minor);
	
	return 0;
}

static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations led_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open    = led_drv_open,
	.read    = led_drv_read,
	.write   = led_drv_write,
	.release = led_drv_close,
};

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
static int __init led_init(void)
{
	int err;
	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_drv);  /* /dev/led */


	led_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_led_class");
	err = PTR_ERR(led_class);
	if (IS_ERR(led_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "led");
		return -1;
	}
	
	return 0;
}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit led_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	class_destroy(led_class);
	unregister_chrdev(major, "100ask_led");
}


/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

board_A_led.c：


#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/platform_device.h>

#include "led_resource.h"


static void led_dev_release(struct device *dev)
{
}

static struct resource resources[] = {
        {
                .start = GROUP_PIN(3,1),
                .flags = IORESOURCE_IRQ,
                .name = "100ask_led_pin",
        },
        {
                .start = GROUP_PIN(5,8),
                .flags = IORESOURCE_IRQ,
                .name = "100ask_led_pin",
        },
};


static struct platform_device board_A_led_dev = {
        .name = "100ask_led",
        .num_resources = ARRAY_SIZE(resources),
        .resource = resources,
        .dev = {
                .release = led_dev_release,
         },
};

static int __init led_dev_init(void)
{
    int err;
    
    err = platform_device_register(&board_A_led_dev);   
    
    return 0;
}

static void __exit led_dev_exit(void)
{
    platform_device_unregister(&board_A_led_dev);
}

module_init(led_dev_init);
module_exit(led_dev_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

chip_demo_gpio.c：

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/platform_device.h>

#include "led_opr.h"
#include "leddrv.h"
#include "led_resource.h"

static int g_ledpins[100];
static int g_ledcnt = 0;

static char clk_en_flag;
static char pin_offset;
/*初始化引脚*/
static int board_demo_led_init (int which) /* 初始化LED, which-哪个LED */       
{   
    //printk("%s %s line %d, led %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which);
    if(!CCM_CCGR5)//还未进行过映射
    {
			CCM_CCGR5								= ioremap(0x020C406C, 4);
			IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(0x02290014, 4);
			GPIO5_GDIR								= ioremap(0x020AC000+0x4, 4);
			GPIO5_DR								= ioremap(0x020AC000 + 0, 4);
    }

    printk("init gpio: group %d, pin %d\n", GROUP(g_ledpins[which]), PIN(g_ledpins[which]));
    switch(GROUP(g_ledpins[which]))//获取当前引脚所在的IO组
    {
        // case 0:
        // {
        //     printk("init pin of group 0 ...\n");
        //     break;
        // }
        case 1:
        {
            printk("init pin of group 1 ...\n");
            break;
        }
        case 2:
        {
            printk("init pin of group 2 ...\n");
            break;
        }
        case 3:
        {
            printk("init pin of group 3 ...\n");
            break;
        }
        case 4:
        {
            printk("init pin of group 3 ...\n");
            break;
        }
        case 5:
        {
            *CCM_CCGR5 |= (3<<30);//全程使能GPIO5时钟
            clk_en_flag = 1;
            printk("init pin of group 3 ...\n");
            break;
        } 
    }

    if(clk_en_flag)
    {
        switch(PIN(g_ledpins[which]))//根据具体的引脚进行初始化
        {
            case 0:
            {

                break;
            }
            case 1:
            {
                
                break;
            }
            case 2:
            {
                
                break;
            }
            case 3:
            {
                *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 &= ~(0xf);//清除低4位
                *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 |= (0x5);//MUX_MODE设置ALT5 0101复用为GPIO

                /* 
                *  设置IO方向
                *  GPIO5_GDIR      
                *  地址：0x020AC000+0x4
                *  bit3设置为1输出模式
                */
                *GPIO5_GDIR |= (1<<3);
                break;
            }
        }
    }
    
    return 0;
}

static int board_demo_led_ctl (int which, char status) /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
{
    //printk("%s %s line %d, led %d, %s\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, status ? "on" : "off");
    printk("set led %s: group %d, pin %d\n", status ? "on" : "off", GROUP(g_ledpins[which]), PIN(g_ledpins[which]));
    pin_offset = PIN(g_ledpins[which]);
    switch(GROUP(g_ledpins[which]))
    {
        case 0:
        {
            printk("set pin of group 0 ...\n");
            break;
        }
        case 1:
        {
            printk("set pin of group 1 ...\n");
            break;
        }
        case 2:
        {
            printk("set pin of group 2 ...\n");
            break;
        }
        case 5://GPIO
        {
            if(status){
                *GPIO5_DR &= ~(1 << pin_offset);//清零输出低电平，点灯on
            }else{
                *GPIO5_DR |=  (1 << pin_offset);//关灯off
            }
            
            printk("set pin of group 5 ...\n");
            break;
        }
    }

    return 0;


static struct led_operations board_demo_led_opr = {
    .init = board_demo_led_init,
    .ctl  = board_demo_led_ctl,
};

struct led_operations *get_board_led_opr(void)
{
    return &board_demo_led_opr;
}

static int chip_demo_gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct resource *res;
    int i = 0;

    while (1)
    {
        res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_IRQ, i++);
        if (!res)
            break;
        
        g_ledpins[g_ledcnt] = res->start;
        led_class_create_device(g_ledcnt);
        g_ledcnt++;
    }
    return 0;
    
}

static int chip_demo_gpio_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct resource *res;
    int i = 0;

    while (1)
    {
        res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_IRQ, i);
        if (!res)
            break;
        
        led_class_destroy_device(i);
        i++;
        g_ledcnt--;
    }
    return 0;
}


static struct platform_driver chip_demo_gpio_driver = {
    .probe      = chip_demo_gpio_probe,
    .remove     = chip_demo_gpio_remove,
    .driver     = {
        .name   = "100ask_led",
    },
};

static int __init chip_demo_gpio_drv_init(void)
{
    int err;
    
    err = platform_driver_register(&chip_demo_gpio_driver); 
    register_led_operations(&board_demo_led_opr);
    
    return 0;
}

static void __exit lchip_demo_gpio_drv_exit(void)
{
    platform_driver_unregister(&chip_demo_gpio_driver);
}

module_init(chip_demo_gpio_drv_init);
module_exit(lchip_demo_gpio_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

2.3 安装验证

Linux驱动学习（三）平台总线设备驱动模型

总结

使用平台总线设备驱动模型编写驱动程序，加入了分离分层的思想，可以编写出更容易移植修改的驱动程序。Linux驱动的框架还是挺大的，现在只学习了一点点皮毛，对内核的东西我也没有进行深入的了解，驱动的执行流程也只能暂时根据教程上面的来理解。但起码得先学会用，所以需要记录一下，方便后续学习，还得继续努力呀~~

Linux驱动学习（三）平台总线设备驱动模型

目录

前言

1、总线设备驱动模型

1.1 匹配流程

1.2 匹配规则

1.3 具体匹配项

2、使用总线驱动模型

2.1 文件说明

2.2 源码

2.3 安装验证

总结

57 linux内核的i2c设备驱动模型

驱动篇：ARM Linux 设备树（三）（摘录）

Linux 驱动学习笔记 - 小型模板设备树(四)

linux学习--字符设备驱动

Linux设备驱动--字符设备（三、自动创建设备文件）

11-S3C2440驱动学习（七）嵌入式linux-字符设备的另一种写法及RTC驱动程序分析和字符设备驱动框架总结

07-S3C2440驱动学习（一）嵌入式linux字符设备驱动-LED字符设备驱动

3.3【Linux驱动基础之三】：设备号、主设备号、次设备号

linux设备驱动：中断下半部的三种实现机制

Linux字符设备驱动模型--字符设备的注册