【i.MX6ULL】驱动开发1——字符设备开发模板
起)，介绍了嵌入式了Linux的系统移植（uboot、内核与根文件系统）以及使用MfgTool工具将系统烧写到板子的EMMC中。
本篇开始介绍嵌入式Linux驱动
内容较多，先看目录：
Linux中的外设驱动可以分为三大类：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。
字符设备驱动：字符设备是能够按照字节流（比如文件）进行读写操作的设备。字符设备最常见，从最简单的点灯到I2C、SPI、音频等都属于字符设备驱动
块设备驱动：以存储块为基础的设备驱动，如EMMC、NAND、SD卡等。对用户而言，字符设备与块设备的访问方式没有差别。
网络设备驱动：即网络驱动，它同时具有字符设备和块设备的特点，因为它是输入输出是有结构块的（报文，包，帧），但它的块的大小又不是固定的。
2 Linux驱动基本原理
在Linux中一切皆文件，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”的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。
比如最简单的点灯功能，会有/dev/led这样的驱动文件，应用程序使用open函数来打开文件/dev/led，如果要点亮或关闭led，那么就使用write函数写入开关值，如果要获取led的状态，就用read函数从驱动中读取相应的状态，使用完成以后使用close函数关闭/dev/led这个文件。
2.1 Linux软件分层结构
Linux软件从上到下可以分层4层结构，以控制LED为例：
应用层：应用程序使用库提供的open函数打开LED设备
库：库根据open函数传入的参数执行“swi”指令，进而引起CPU异常，进入内核
内核：内核的异常处理函数根据传入的参数找到对应的驱动程序，返回文件句柄给库，进而返回给应用层
应用层得到文件句柄后，使用库提供的write或ioctl发出控制指令
库根据write或ioctl函数传入的参数执行“swi”指令，进入内核
内核的异常处理函数根据传入的参数找到对应的驱动程序
驱动：驱动程序控制硬件，点亮LED
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。当应用层通过open函数打开/dev/led 这个驱动时，因用户空间不能直接操作内核，因此会使用“系统调用”的方法来从用户空间“陷入”到内核空间，实现对底层驱动的操作。
比如应用程序调用了open这个函数，则在驱动程序中也应有一个对应的open的函数。
2.2 Linux内核驱动操作函数
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file_operations结构体，就是Linux内核驱动操作函数集合：
其中有关字符设备驱动开发中常用的函数有：
owner：拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE。
llseek函数：用于修改文件当前的读写位置。
read函数：用于读取设备文件。
write函数：用于向设备文件写入(发送)数据。
poll函数：是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
unlocked_ioctl函数：提供对于设备的控制功能， 与应用程序中的 ioctl 函数对应。
compat_ioctl函数：与 unlocked_ioctl功能一样，区别在于在 64 位系统上，32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。
mmap函数：用于将将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数， 比如 LCD 驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
open函数：用于打开设备文件。
release函数：用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。
fasync函数：用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。
aio_fsync函数：与fasync功能类似，只是 aio_fsync 是异步刷新待处理的
2.3 Linux驱动运行方式
Linux 驱动有两种运行方式：
将驱动编译进Linux内核中， 这样当Linux内核启动的时候就会自动运行驱动程序。
将驱动编译成模块(扩展名为 .ko)， 在Linux内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。
在驱动开发阶段一般都将其编译为模块，不需要编译整个Linux代码，方便调试驱动程序。当驱动开发完成后，根据实际需要，可以选择是否将驱动编译进Linux内核中。
2.4 Linux设备号
2.4.1 设备号的组成
Linux中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成。
主设备号：表示某一个具体的驱动
次设备号：表示使用这个驱动的各个设备
Linux 提供了名为dev_t的数据类型表示设备号，其本质是32位的unsigned int数据类型，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号，因此Linux中主设备号范围为0~4095。
在文件include/linux/kdev_t.h中提供了几个关于设备号操作的宏定义：
MINORBITS：表示次设备号位数，一共20位
MINORMASK：表示次设备号掩码
MAJOR：用于从dev_t中获取主设备号，将dev_t右移20位即可
MINOR：用于从dev_t中获取次设备号，取dev_t的低20位的值即可
MKDEV：用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成dev_t类型的设备号
2.4.2 主设备号的分配
主设备号的分配包括静态分配和动态分配
静态分配需要手动指定设备号，并且要注意不能与已有的重复，一些常用的设备号已经被Linux内核开发者给分配掉了，使用“cat /proc/devices”命令可查看当前系统中所有已经使用了的设备号。
动态分配是在注册字符设备之前先申请一个设备号，系统会自动分配一个没有被使用的设备号， 这样就避免了冲突。在卸载驱动的时候释放掉这个设备号即可。
设备号的申请函数：
设备号的释放函数：
3 字符设备驱动开发模板
3.1 加载与卸载
在编写驱动的时候需要注册模块加载和卸载这两种函数：
module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数
用来向Linux内核注册一个模块加载函数，参数xxx_init就是需要注册的具体函数，当使用 “insmod” 命令加载驱动的时候，xxx_init这个函数就会被调用。用来向Linux内核注册一个模块卸载函数，参数xxx_exit就是需要注册的具体函数，当使 用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit函数就会被调用。
字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示：
驱动编译完成以后扩展名为.ko， 有两种命令可以加载驱动模块:
：最简单的模块加载命令，用于加载指定的.ko模块，此命令不能解决模块的依赖关系：该命令会分析模块的依赖关系，将所有的依赖模块都加载到内核中，因此更智能modprobe 命令默认会去
目录中查找模块（自制的根文件系统没有这个目录，需要手动创建）
卸载驱动也有两种命令：
：例如使用来卸载 drv.ko这一个模块：该命令除了卸载指定的驱动，还卸载其所依赖的其他模块，若这些依赖模块还在被其它模块使用，就不能使用 modprobe来卸载驱动模块！！！
3.2 注册与注销
对于字符设备驱动而言，当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备，同样，卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。
字符设备的注册函数原型如下所示:
字符设备的注销函数原型如下所示:
一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数 xxx_init 中进行，字符设备的注销在驱动模块的出口函数 xxx_exit 中进行。
注：选择没有被使用的主设备号，可输入命令“cat /proc/devices”来查看当前已经被使用掉的设备号
3.3 实现设备的具体操作函数
file_operations 结构体就是设备的具体操作函数。
假设对chrtest这个设备有如下两个要求：
能够实现打开和关闭操作：需要实现 file_operations 中的open和release这两个函数
能够实现进行读写操作：需要实现 file_operations 中的read和write这两个函数
首先是 打开(open)、读取(read)、写入(write)、释放(release) 4个基本操作
然后是 驱动的入口(init)和出口(exit) 函数:
3.4 添加LICENSE和作者信息
LICENSE是必须添加的，否则编译时会报错，作者信息可加可不加。
总结一下：
4 字符设备驱动开发实验
下面以正点原子提供的教程中的chrdevbase这个虚拟设备为例，完整的编写一个字符设备驱动模块。chrdevbase不是实际存在的一个设备，只是为了学习字符设备的开发的流程。
4.1 程序编写
需要分别编写驱动程序和应用程序。
注：为了区分两个程序的打印信息，在驱动程序的打印前都添加“[BSP]”标识，在应用程序的打印前都添加”[APP]“标识。
4.1.1 编写驱动程序
一些定义
打开、关闭、读取、写入
驱动加载与注销
最后的LIENSE与作者
4.1.2 编写应用程序
这里把程序截取为3段分析，首先看开头：
主要是一些头文件和main函数入口，调用main函数时需要传入2个参数（实际是3个参数，函数名本身是默认的第0个参数，不需要手动指定），具体作用为：
参数0：argv[0]，函数名本身，这里不作用途
参数1：argv[1]，filename，这里不作用途
参数2：argv[2]，自定义的操作参数，下面函数会讲到，1为从驱动文件中读取，2为向驱动文件中写入数据
再来看具体操作：
最后是关闭设备：
4.2 程序编译
4.2.1 编译驱动程序
编译驱动，即编译chrdevbase.c这个文件为.ko 模块，使用Makefile来编译，先创建Makefile：
各行含义：
KERNELDIR：开发板所使用的Linux内核源码目录
CURRENT_PATH：当前路径，通过运行“pwd”命令获取
obj-m：将 chrdevbase.c 这个文件编译为chrdevbase.ko模块
具体的编译命令：后面的modules表示编译模块，-C 表示切换工作目录到KERNERLDIR目录，M表示模块源码目录
输入“make”命令即可编译，编译后会出现许多编译文件
注：若直接make编译报如下错误，是因为kernel中没有指定编译器和架构，使用了默认的x86平台编译报错。
修改Kernel工程的顶层Makefile，直接定义ARCH和CROSS_COMPILE 这两个的变量值为 arm 和 arm-linux-gnueabihf-
(内核篇的介绍见：)
4.2.2 编译应用程序
编译应用程序不需要内核文件参与，只有一个文件就能编译，因此直接输入指令进行编译：
arm-linux-gnueabihf-gcc chrdevbaseAPP.c -o chrdevbaseAPP
编译会生chrdevbaseAPP，它是32位LSB格式的ARM版本可执行文件
4.3 测试
上一篇文章（）已经实现了系统移植的打包烧录工作，系统已经烧录的EMMC中了。这次我们就直接在这个基础上进行实验。
4.3.1 创建驱动模块目录
加载驱动模块，使用的modprobe命令，会从特定的目录下寻找文件。比如开发板使用的是4.1.15版的Linux内核 ，则是“/lib/modules/4.1.15”这个目录，这个目录一般是没有的，需要根据Linux内核的版本自己创建。
注意这是开发板的文件系统中的路径，可以通过串口连接进入开发板，通过linux指令创建该目录。
4.3.2 发送文件到开发板(TFTP传输)
此次测试首先需要将ubuntu中编译的文件传输到板子中运行，怎么传输呢？可以使用TFTP传输服务。
在之前的文章（）中已经介绍了如何在ubuntu中搭建TFTP服务器。
搭建好TFTP服务后，开始传输文件到开发板具体的传输步骤为：
开发板连接网线，与ubuntu虚拟机处于同一局域网内
确保ubuntu已安装的TFTP服务，并设置了TFTP服务文件夹
将ubuntu中编译好的文件复制到ubuntu的TFTP服务文件夹中！！！
mv chrdevbaseAPP ~/myTest/tftpboot/ mv chrdevbase.ko ~/myTest/tftpboot/注：编译完程序，在传输到板子之前，一定要记得把文件先复制到TFTP文件夹中，否则板子获取到的可能是TFTP文件夹中的旧文件。
开发板的串口中通过如下指令来将ubuntu中的文件传输到开发板中
cd /lib/modules/4.1.15 /*确保在要下载文件的目录中，若已在，则忽略*/ tftp -g -r chrdevbaseAPP 192.168.5.101 /*获取chrdevbaseAPP文件*/ tftp -g -r chrdevbase.ko 192.168.5.101 /*获取chrdevbase.ko文件*/这里的
代表get，即下载文件，代表remote file，即远程主机的文件名，然后是要下载的文件名，最后的远程主机ubuntu的IP地址。输入该指令后，可以看到文件传输进度，如下图：
4.3.3 开始测试
驱动文件chrdevbase.ko和应用文件chrdevbaseAPP传输到板子中的/lib/modules/4.1.15目录后，就可以测试了。
首先使用命令来加载驱动，然后使用查看当前的驱动（只有一个我们刚加载的字符驱动），再使用使用指令查看devices 信息，确认系统中是否已经列举了该设备，3条指令如下：
insmod chrdevbase.ko lsmod cat /proc/devices
具体是输出信息：
可以看出，系统中存在chrdevbase设备，主设备号为程序中设定的200。
驱动加载后，还要在/dev目录下创建一个对应的设备节点文件（应用程序就是通过该节点文件实现对设备的操作）。
输入如下2条命令创建/dev/chrdevbase这个设备节点文件，并查看结果：
mknod /dev/chrdevbase c 200 0 ls /dev/chrdevbase -l
至此，字符设备驱动已经加载完成，可以测试我们的应用程序了，也就是读和写：
按照上面程序的设定，1是读，2是写：
./chrdevbaseAPP /dev/chrdevbase 1 ./chrdevbaseAPP /dev/chrdevbase 2
先来看“读测试”，注意要给chrdevbaseAPP可执行的权限，否则无法运行。
图中下部是程序输出信息，但似乎只有BSP驱动程序的的输出，没有APP应用程序的输出，应该是内核打印printk与应用的打印printf冲突了，导致APP的打印被挤掉了。
再来看“写测试''，同样也是只有BSP的打印
4.3.4 打印冲突问题规避
对于打印冲突问题，我们可以先在每个printf前后加个sleep(1)的1秒延时，这样可以先避免打印冲突。
增加延时后再次测试，打印正常：
测试完，最后是rmmod命令卸载模块：
