I.MX6U 字符设备驱动开发指南

目录

一、引言

二、字符设备驱动的基本概念

1.字符设备的定义

2.字符设备驱动的作用

三、I.MX6U 字符设备驱动开发步骤

1.确定设备信息

2.编写设备驱动代码

3.编译和加载驱动

4.测试设备驱动

四、实例分析

1.确定设备信息

2.编写设备驱动代码

3.编译和加载驱动 

4.测试设备驱动

五、总结

一、引言

        在嵌入式 Linux 系统中，字符设备驱动是一种常见且重要的驱动类型。它用于实现对字符型设备的访问和控制，如串口、I2C 设备、SPI 设备等。本文将以 I.MX6U 处理器为例，详细介绍字符设备驱动的开发过程，包括基本概念、开发步骤、实例分析等内容。

二、字符设备驱动的基本概念

1.字符设备的定义

  • 字符设备是指以字符流的方式进行数据传输的设备，每次只能传输一个字符。常见的字符设备有键盘、鼠标、串口等。
  • 在 Linux 系统中，字符设备以文件的形式呈现给用户空间，用户可以通过文件操作函数（如 open、read、write、close 等）来访问字符设备。

2.字符设备驱动的作用

  • 字符设备驱动是连接内核空间和用户空间的桥梁，它负责实现对字符设备的具体操作，如数据的读取、写入、控制等。
  • 字符设备驱动将字符设备的硬件操作封装起来，为用户空间提供统一的接口，使得用户可以方便地使用字符设备，而无需了解设备的具体硬件细节。

三、I.MX6U 字符设备驱动开发步骤

1.确定设备信息

  • 首先，需要确定要开发的字符设备的具体信息，包括设备名称、设备号、设备的硬件连接方式等。
  • 对于 I.MX6U 处理器，可以通过查看芯片手册和硬件原理图来确定设备的信息。

2.编写设备驱动代码

  • 设备驱动代码主要包括以下几个部分：
    • 头文件包含：包含必要的头文件，如<linux/module.h>、<linux/fs.h>、<linux/device.h>等。
    • 模块加载和卸载函数：实现模块加载和卸载时的初始化和清理工作，如注册字符设备、释放资源等。
    • 文件操作函数：实现对字符设备的文件操作，如 open、read、write、close 等。
    • 设备结构体定义：定义一个设备结构体，用于存储设备的相关信息，如设备号、设备状态等。
  • 以下是一个简单的字符设备驱动代码框架：
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>

#define DEVICE_NAME "my_char_device"
#define DEVICE_MAJOR 0
#define DEVICE_MINOR 0

struct my_char_device {
    dev_t devno;
    struct cdev cdev;
};

static int my_char_device_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    // 打开设备的操作
    return 0;
}

static ssize_t my_char_device_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    // 读取设备的操作
    return 0;
}

static ssize_t my_char_device_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    // 写入设备的操作
    return 0;
}

static int my_char_device_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    // 关闭设备的操作
    return 0;
}

const struct file_operations my_char_device_fops = {
   .owner = THIS_MODULE,
   .open = my_char_device_open,
   .read = my_char_device_read,
   .write = my_char_device_write,
   .release = my_char_device_release,
};

static int __init my_char_device_init(void)
{
    int ret;
    dev_t devno;

    // 申请设备号
    if (DEVICE_MAJOR!= 0) {
        devno = MKDEV(DEVICE_MAJOR, DEVICE_MINOR);
        ret = register_chrdev_region(devno, 1, DEVICE_NAME);
    } else {
        ret = alloc_chrdev_region(&devno, DEVICE_MINOR, 1, DEVICE_NAME);
        DEVICE_MAJOR = MAJOR(devno);
    }
    if (ret < 0) {
        return ret;
    }

    // 初始化设备结构体
    struct my_char_device *dev;
    dev = kzalloc(sizeof(struct my_char_device), GFP_KERNEL);
    if (!dev) {
        ret = -ENOMEM;
        goto fail_alloc;
    }
    dev->devno = devno;
    cdev_init(&dev->cdev, &my_char_device_fops);
    dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
    ret = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
    if (ret < 0) {
        goto fail_add;
    }

    return 0;

fail_add:
    kfree(dev);
fail_alloc:
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
    return ret;
}

static void __exit my_char_device_exit(void)
{
    dev_t devno = MKDEV(DEVICE_MAJOR, DEVICE_MINOR);
    struct my_char_device *dev;

    // 查找设备结构体
    dev = container_of(cdev_get(devno), struct my_char_device, cdev);
    if (dev) {
        cdev_del(&dev->cdev);
        kfree(dev);
    }
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
}

module_init(my_char_device_init);
module_exit(my_char_device_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("My Character Device Driver for I.MX6U");

在这个代码框架中，首先定义了设备名称、设备号等信息，然后实现了文件操作函数和模块加载、卸载函数。在模块加载函数中，申请设备号、初始化设备结构体，并将字符设备添加到系统中。在模块卸载函数中，删除字符设备并释放资源。 

3.编译和加载驱动

  • 编写好设备驱动代码后，需要将其编译成内核模块。可以在 Makefile 中指定编译规则，然后使用make命令进行编译。
  • 编译成功后，将生成的内核模块文件加载到内核中，可以使用insmod命令加载模块，使用rmmod命令卸载模块。

4.测试设备驱动

  • 驱动加载成功后，可以在用户空间编写测试程序来验证设备驱动的功能。测试程序可以通过文件操作函数来打开、读取、写入和关闭字符设备，从而测试设备驱动的正确性。
  • 以下是一个简单的用户空间测试程序：

在这个测试程序中，首先打开字符设备，然后写入数据到设备，再读取设备数据并打印输出，最后关闭设备。

四、实例分析

以一个简单的 I.MX6U 串口设备驱动为例，介绍字符设备驱动的开发过程。

1.确定设备信息

  • 串口设备通常使用 UART 控制器实现，在 I.MX6U 处理器中，UART 控制器有多个，需要确定要使用的 UART 控制器的编号和引脚连接方式。
  • 假设要开发的串口设备使用 UART1，其引脚连接方式为：TXD1 -> GPIO1_IO08，RXD1 -> GPIO1_IO09。

2.编写设备驱动代码

  • 以下是一个基于 I.MX6U 的串口设备驱动代码框架：
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/serial.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/tty_flip.h>
#include <linux/ioport.h>

#define DEVICE_NAME "my_serial_device"
#define DEVICE_MAJOR 0
#define DEVICE_MINOR 0

struct my_serial_device {
    dev_t devno;
    struct cdev cdev;
    struct uart_port port;
};

static int my_serial_device_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct my_serial_device *dev = container_of(inode->i_cdev, struct my_serial_device, cdev);
    return uart_open(&dev->port, filp);
}

static ssize_t my_serial_device_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    struct my_serial_device *dev = container_of(filp->private_data, struct my_serial_device, cdev);
    return uart_read(&dev->port, filp, buf, count);
}

static ssize_t my_serial_device_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    struct my_serial_device *dev = container_of(filp->private_data, struct my_serial_device, cdev);
    return uart_write(&dev->port, filp, buf, count);
}

static int my_serial_device_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct my_serial_device *dev = container_of(inode->i_cdev, struct my_serial_device, cdev);
    return uart_close(&dev->port, filp);
}

const struct file_operations my_serial_device_fops = {
   .owner = THIS_MODULE,
   .open = my_serial_device_open,
   .read = my_serial_device_read,
   .write = my_serial_device_write,
   .release = my_serial_device_release,
};

static int __init my_serial_device_init(void)
{
    int ret;
    dev_t devno;

    // 申请设备号
    if (DEVICE_MAJOR!= 0) {
        devno = MKDEV(DEVICE_MAJOR, DEVICE_MINOR);
        ret = register_chrdev_region(devno, 1, DEVICE_NAME);
    } else {
        ret = alloc_chrdev_region(&devno, DEVICE_MINOR, 1, DEVICE_NAME);
        DEVICE_MAJOR = MAJOR(devno);
    }
    if (ret < 0) {
        return ret;
    }

    // 初始化设备结构体
    struct my_serial_device *dev;
    dev = kzalloc(sizeof(struct my_serial_device), GFP_KERNEL);
    if (!dev) {
        ret = -ENOMEM;
        goto fail_alloc;
    }
    dev->devno = devno;
    cdev_init(&dev->cdev, &my_serial_device_fops);
    dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
    ret = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
    if (ret < 0) {
        goto fail_add;
    }

    // 初始化串口端口
    uart_port_init(&dev->port);
    dev->port.line = 0;
    dev->port.type = PORT_16550A;
    dev->port.flags = UPF_BOOT_AUTOCONF;
    dev->port.iotype = UPIO_MEM;
    dev->port.regshift = 2;
    dev->port.mapbase = ioremap(0x2020000, 0x1000);
    dev->port.membase = (void __iomem *)dev->port.mapbase;
    dev->port.irq = IRQ_UART1;
    ret = uart_register_driver(&dev->port);
    if (ret < 0) {
        goto fail_register;
    }

    return 0;

fail_register:
    iounmap(dev->port.mapbase);
fail_add:
    cdev_del(&dev->cdev);
    kfree(dev);
fail_alloc:
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
    return ret;
}

static void __exit my_serial_device_exit(void)
{
    dev_t devno = MKDEV(DEVICE_MAJOR, DEVICE_MINOR);
    struct my_serial_device *dev;

    // 查找设备结构体
    dev = container_of(cdev_get(devno), struct my_serial_device, cdev);
    if (dev) {
        uart_unregister_driver(&dev->port);
        iounmap(dev->port.mapbase);
        cdev_del(&dev->cdev);
        kfree(dev);
    }
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
}

module_init(my_serial_device_init);
module_exit(my_serial_device_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("My Serial Device Driver for I.MX6U");

在这个代码框架中，首先定义了设备名称、设备号等信息，然后实现了文件操作函数和模块加载、卸载函数。在模块加载函数中，申请设备号、初始化设备结构体，并将字符设备添加到系统中。同时，还初始化了串口端口，并注册了串口驱动。在模块卸载函数中，删除字符设备、注销串口驱动并释放资源。

3.编译和加载驱动 

  • 编写好串口设备驱动代码后，按照前面介绍的方法进行编译和加载。

4.测试设备驱动

  • 可以使用minicom等串口调试工具来测试串口设备驱动的功能。在minicom中设置好串口参数（如波特率、数据位、停止位等），然后打开串口设备，进行数据的发送和接收测试。

五、总结

        本文介绍了 I.MX6U 字符设备驱动的开发过程，包括基本概念、开发步骤、实例分析等内容。通过本文的学习，读者可以了解字符设备驱动的工作原理和开发方法，为开发其他类型的设备驱动提供参考。在实际开发中，还需要根据具体的设备需求进行进一步的优化和完善，以确保设备驱动的稳定性和可靠性。

 

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