下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
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或者输出。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或低。
在本例子中，我们屏蔽具体CPU的差异，假设在GPIO_REG_CTRL物理地址中控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO口为输出，在地址GPIO_REG_DATA物理地址中数据寄存器的第n位写入1或0可在引脚上产生高或低电平，则在无操作系统的情况下，设备驱动见代码清单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 */
4void LightInit(void)
5{
6 reg_gpio_ctrl |= (1 << n); /* 设置GPIO为输出 */
7}
8
9/* 点亮LED */
10void LightOn(void)
11{
12 reg_gpio_data |= (1 << n); /* 在GPIO上输出高电平 */
13}
14
15/* 熄灭LED */
16void 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。
在Linux下，可以使用字符设备驱动的框架来编写对应于代码清单1.3的LED设备驱动（这里仅仅是为了方便讲解，内核中实际实现了一个提供sysfs节点的GPIO LED驱动，位于drivers/leds/leds-gpio.c中），操作硬件的LightInit（）、LightOn（）、LightOff（）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并针对内核的接口进行调用，代码清单1.4给出了Linux下的LED驱动，此时读者并不需要能读懂这些代码。
代码清单1.4 Linux操作系统下的LED驱动
1#include .../* 包含内核中的多个头文件 */
2/* 设备结构体 */
3struct light_dev {
4 struct cdev cdev; /* 字符设备cdev结构体 */
5 unsigned char vaule; /* LED亮时为1，熄灭时为0，用户可读写此值 */
6};
7struct light_dev *light_devp;
8int light_major = LIGHT_MAJOR;
9MODULE_AUTHOR("Barry Song <21cnbao@gmail.com>");
10MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
11/* 打开和关闭函数 */
12int light_open(struct inode *inode, struct file *filp)
13{
14 struct light_dev *dev;
15 /* 获得设备结构体指针 */
16 dev = container_of(inode->i_cdev, struct light_dev, cdev);
17 /* 让设备结构体作为设备的私有信息 */
18 filp->private_data = dev;
19 return 0;
20}
21int light_release(struct inode *inode, struct file *filp)
22{
23 return 0;
24}
25/* 读写设备:可以不需要 */
26ssize_t light_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count,
27 loff_t *f_pos)
28{
29 struct light_dev *dev = filp->private_data; /* 获得设备结构体 */
30 if (copy_to_user(buf, &(dev->value), 1))
31 return -EFAULT;
32 return 1;
33}
34ssize_t light_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,
35 loff_t *f_pos)
36{
37 struct light_dev *dev = filp->private_data;
38 if (copy_from_user(&(dev->value), buf, 1))
39 return -EFAULT;
40 /* 根据写入的值点亮和熄灭LED */
41 if (dev->value == 1)
42 light_on();
43 else
44 light_off();
45 return 1;
46}
47/* ioctl函数 */
48int light_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
49 unsigned long arg)
50{
51 struct light_dev *dev = filp->private_data;
52 switch (cmd) {
53 case LIGHT_ON:
54 dev->value = 1;
55 light_on();
56 break;
57 case LIGHT_OFF:
58 dev->value = 0;
59 light_off();
60 break;
61 default:
62 /* 不能支持的命令 */
63 return -ENOTTY;
64 }
65 return 0;
66}
67struct file_operations light_fops = {
68 .owner = THIS_MODULE,
69 .read = light_read,
70 .write = light_write,
71 .unlocked_ioct1 = light_ioctl,
72 .open = light_open,
73 .release = light_release,
74};
75/* 设置字符设备cdev结构体 */
76static void light_setup_cdev(struct light_dev *dev, int index)
77{
78 int err, devno = MKDEV(light_major, index);
79 cdev_init(&dev->cdev, &light_fops);
80 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
81 dev->cdev.ops = &light_fops;
82 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
83 if (err)
84 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);
85}
86/* 模块加载函数 */
87int light_init(void)
88{
89 int result;
90 dev_t dev = MKDEV(light_major, 0);
91 /* 申请字符设备号 */
92 if (light_major)
93 result = register_chrdev_region(dev, 1, "LED");
94 else {
95 result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "LED");
96 light_major = MAJOR(dev);
97 }
98 if (result < 0)
99 return result;
100 /* 分配设备结构体的内存 */
101 light_devp = kmalloc(sizeof(struct light_dev), GFP_KERNEL);
102 if (!light_devp) {
103 result = -ENOMEM;
104 goto fail_malloc;
105 }
106 memset(light_devp, 0, sizeof(struct light_dev));
107 light_setup_cdev(light_devp, 0);
108 light_gpio_init();
109 return 0;
110fail_malloc:
111 unregister_chrdev_region(dev, light_devp);
112 return result;
113}
114/* 模块卸载函数 */
115void light_cleanup(void)
116{
117 cdev_del(&light_devp->cdev); /* 删除字符设备结构体 */
118 kfree(light_devp); /* 释放在light_init中分配的内存 */
119 unregister_chrdev_region(MKDEV(light_major, 0), 1); /* 删除字符设备 */
120}
121module_init(light_init);
122module_exit(light_cleanup);
上述代码的行数与代码清单1.3已经不能相比了，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内核为字符设备定义的，以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。