嵌入式Linux系列第20篇：驱动编写入门

1.引言

    很早之前就有网友建议写一篇关于Linux驱动的文章。之所以拖到现在才写，原因之一是我之前没有在工作中遇到需要自己手动去写驱动的需求，主要是现在Linux内核驱动的支持已经比较完善了，另外一个原因是自己水平实在有限，不敢写驱动这个话题，Linux驱动里涉及到的东西太多了，很多年前专门买过驱动相关的书籍，厚厚的，看的云里雾里。借此机会，在这里给大家做个非常非常入门级的介绍，希望对大家有所帮助。                             

2.环境介绍

2.1.硬件

    网上的一个第三方做的NUC972开发板，这里会用到板子上的MPU6050传感器芯片，相关部分原理图如下：

2.2.软件

    1) Uboot不需要改动

    2) Kernel不需要改动

    3) Rootfs不需要重新编译

3.最简单的驱动例子

    第1步：编写hello.c

#include <linux/init.h>

#include <linux/module.h>

static int __init hello_init(void) {

    printk(KERN_INFO  "module init success");

    return 0;

}

static void __exit hello_exit(void) {

    printk(KERN_INFO  "module exit success");

}

module_init(hello_init);

module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("wuya");

MODULE_DESCRIPTION("driver example");

    这是一个简单的内核模块程序，可以动态加载和卸载。模块加载的时候系统会打印module init success，模块卸载的时候系统会打印module exit success。

    开头的两个头文件，init.h 定义了驱动的初始化和退出相关的函数，module.h 定义了内核模块相关的函数、变量及宏。然后module_init和module_exit是模组加载和卸载相关的两个函数，

    第2步：编写Makefile

obj-m := hello.o

PWD := $(shell pwd)

KDIR :=/home/topsemic/nuc972/kernel/NUC970_Linux_Kernel-master/

all:

        $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD)

clean:

        rm -rf *.o *.mod.c *.mod.o *.ko *.symvers *.order *.a

    注意：KDIR 取决于你自己Linux内核安装的位置，一定要设置正确，否则编译会报错。

    第3步：编译

    将hello.c和Makefile放在同一路径下进行编译，输入make即可。编译成功后，会在当前路径下生成hello.ko，这就是我们将要加载到内核的模块。

    第4步：将生成的hello.ko放到板子上，然后登录板子输入：

    insmod hello.ko

    如果模块加载成功的话，可以查看模块加载情况，使用lsmod命令

    并且可以查看内核打印的消息，使用dmesg命令，

    rmmod hello.ko，用来卸载模块，使用dmesg命令可以看到相关输出信息

4.MPU6050驱动

    本章以板子上的MPU6050 传感器为例，来介绍驱动的编写。由于板子上使用的是PE10和PE11，它们不是真正的I2C引脚，所以这里我们使用GPIO来模拟I2C时序。编写驱动前，首先需要下载被控制器件的datasheet，在官网https://www.invensense.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050/ 可以下载。

    第1步：写驱动文件，我们这里在驱动文件里放了三个文件，分别为mpu6050.c、mpu6050bsp.c和mpu6050bsp.h

    其中mpu6050.c代码如下:

#include"mpu6050bsp.h"
int MPU6050_MAJOR = 0;int MPU6050_MINOR = 0;int NUMBER_OF_DEVICES = 2; struct class *my_class;struct cdev cdev;dev_t devno;/*************************************************************************************/ 

#define DRIVER_NAME "mpu6050"
int mpu6050_open(struct inode *inode,struct file *filp){  u8 reg;  reg=InitMPU6050();
  printk("mpu6050:%d\n",reg);  return nonseekable_open(inode,filp);}
long mpu6050_ioctl(struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg){  switch(cmd)  {        default:      return -2;  }  return 0;}int mpu6050_read(struct file *filp, char *buffer,size_t count, loff_t *ppos){  mpu_get_data();  return copy_to_user(buffer, mpu_data, 14);}int mpu6050_write(struct file *filp, char *buffer, size_t count, loff_t *ppos){    return 0;}
struct file_operations mpu6050_fops = {  .owner = THIS_MODULE,  .read = mpu6050_read,  .write = mpu6050_write,  .open   = mpu6050_open,  .unlocked_ioctl = mpu6050_ioctl,};

/**************************************************************************************/static int __init mpu6050_init(void){    int result;    devno = MKDEV(MPU6050_MAJOR, MPU6050_MINOR);    if (MPU6050_MAJOR)        result = register_chrdev_region(devno, 2, "mpu6050");    else    {        result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "mpu6050");        MPU6050_MAJOR = MAJOR(devno);    }      printk("MAJOR IS %d\n",MPU6050_MAJOR);    my_class = class_create(THIS_MODULE,"mpu6050_class");  //类名为    if(IS_ERR(my_class))     {        printk("Err: failed in creating class.\n");        return -1;     }    device_create(my_class,NULL,devno,NULL,"mpu6050");      //设备名为mpu6050    if (result<0)     {        printk (KERN_WARNING "hello: can't get major number %d\n", MPU6050_MAJOR);        return result;    }     cdev_init(&cdev, &mpu6050_fops);    cdev.owner = THIS_MODULE;    cdev_add(&cdev, devno, NUMBER_OF_DEVICES);    printk (KERN_INFO "mpu6050 driver Registered\n");    return 0;} static void __exit mpu6050_exit  (void){    cdev_del (&cdev);    device_destroy(my_class, devno);         //delete device node under /dev//必须先删除设备，再删除class类    class_destroy(my_class);                 //delete class created by us    unregister_chrdev_region (devno,NUMBER_OF_DEVICES);    printk (KERN_INFO "char driver cleaned up\n");} module_init (mpu6050_init );module_exit (mpu6050_exit ); MODULE_LICENSE ("GPL");

    上述代码整体结构和第3章介绍的hello.c类似，不过为了支持对字符设备的操作，多了open/write/read的几个函数实现。

    mpu6050bsp.c由于内容较多，不把代码贴到这里了，大家一看就明白了，它就是用gpio来模拟i2c功能，实现寄存器操作功能。mpu6050bsp.h主要是相关寄存器定义。

    第2步：编译，然后把ko文件放到板子，insmod mpu6050d.ko 。模块如果加载成功，在/dev目录下可以看到mpu6050的设备名出现。

第3步：写个应用程序mpu6050app.c，

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

short x_accel, y_accel, z_accel;

short x_gyro, y_gyro, z_gyro;

short temp;

int main()

{

    char buffer[128];

    short *value;

    int in, out;

    int nread;

    in = open("/dev/mpu6050", O_RDONLY);

    if (!in) {

        printf("ERROR: %d, Open /dev/mpu6050 failed.", -1);

        return -1;    

    }    

    nread = read(in, buffer, 12);

    close(in);    

    if (nread < 0) {

        printf("ERROR: %d, A read error has occurred", nread);

        return -1;    

    }

    value = (short*)buffer;

    x_accel = *(value);

    y_accel = *(value + 1);

    z_accel = *(value + 2);

    temp    = *(value + 3);

    x_gyro =  *(value + 4);

    y_gyro =  *(value + 5);

    z_gyro =  *(value + 6);

    printf("x accel is: %d ", x_accel);

    printf("y accel is: %d ", y_accel);

    printf("z accel is: %d ", z_accel);    

    printf("x gyro is: %d ", x_gyro);

    printf("y gyro is: %d ", y_gyro);

    printf("z gyro is: %d ", z_gyro);

    printf("temperature is: %d ", temp);

    exit(0);

}

    编译arm-linux-gcc mpu6050app.c -o mpu6050app

    第4步：将板子水平摆放朝上，运行例子结果如下，

    我们来计算下z轴加速度和温度的实际数值。

    因为驱动里AFS_SEL寄存器设置的值是2，所以对应量程8g。数字-32767对应-8g，32767对应8g。把32767除以8，就可以得到4096，即1g对应的数值。把从加速度计读出的数字除以4096，就可以换算成加速度的数值。上面我们从加速度计z轴读到的数字是3723，那么对应的加速度数据是3723/4096≈0.91g。g为加速度的单位，重力加速度定义为1g, 等于9.8米每平方秒。由于桌上不是很平，加上传感器自身误差，所以这个值是合理的。

    再看看温度计算，从手册中可以看到如下的计算公式:

    上述的-2352计算后得到温度为29.6℃，注意这个温度不是环境温度，是芯片内部的温度，环境温度会比这个值略低。

    由于我是在北京，冬天屋里有暖气，所以这个值也是合理的。

5.结束语

    本期给大家介绍关于Linux驱动最简单的使用，可以看到驱动开发和应用开发还是有很大的差异，驱动需要关注底层，需要深入的阅读芯片的数据手册，同时也得具备内核的相关知识。市场上Linux应用开发人员相对更多，真正懂驱动的人相对较少，大部分集中在芯片原厂公司。推荐大家在实际做产品时尽量选择官方推荐的元器件，或者选择可以提供Linux驱动的元器件，以降低开发难度。

6.参考资料

    https://blog.csdn.net/u010632165/article/details/86541941

    https://blog.csdn.net/u010632165/article/month/2019/05

    https://www.cnblogs.com/wulei0630/p/9498195.html

    https://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/4914510.html

    https://segmentfault.com/a/1190000020905713

    https://blog.csdn.net/m0_37777700/article/details/84305584

    https://www.cnblogs.com/sawyer22/p/9652294.html