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作 者：道哥，10+年嵌入式开发老兵，专注于：C/C++、嵌入式、Linux。
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[TOC]
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：
-
在驱动程序中，初始化 GPIO 设备，自动创建设备节点;
-
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);#endifreturn 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);}#endifreturn 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 ($(KERNELRELEASE),)obj-m := mygpio.oelseKERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD := $(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) cleanendif
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！
—— End ——
文中的测试代码，已经放在网盘了。
在公众号【IOT物联网小镇】后台回复关键字：1128，即可获取下载地址。
谢谢！
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</fcntl.h></assert.h></unistd.h></stdlib.h></stdio.h>
