嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：用戶空間中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

Embedded Linux
device drivers: Device drivers in user space

Interfacing with Device Drivers

Device drivers in user space

用戶空間中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

在開(kāi)始編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之前，請(qǐng)暫停片刻，考慮是否確實(shí)有必要。對(duì)于許多常見(jiàn)類型的設(shè)備，有通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，允許您直接從用戶空間與硬件交互，而不必編寫一行內(nèi)核代碼。用戶空間代碼當(dāng)然更容易編寫和調(diào)試。它也不包括在GPL中，盡管我覺(jué)得這本身并不是一個(gè)很好的理由來(lái)這樣做。

這些驅(qū)動(dòng)程序分為兩大類：通過(guò)sysfs中的文件（包括GPIO和led）進(jìn)行控制的驅(qū)動(dòng)程序，以及通過(guò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)（如I2C）公開(kāi)通用接口的串行總線。

GPIO

通用輸入/輸出（GPIO）是最簡(jiǎn)單的數(shù)字接口形式，因?yàn)樗梢灾苯釉L問(wèn)各個(gè)硬件引腳，每個(gè)引腳可以處于兩種狀態(tài)之一：高或低。在大多數(shù)情況下，您可以將GPIO管腳配置為輸入或輸出。你甚至可以使用一組GPIO管腳，通過(guò)操作軟件中的每個(gè)位來(lái)創(chuàng)建更高級(jí)的接口，比如I2C或SPI，這種技術(shù)被稱為位碰撞。主要的限制是軟件循環(huán)的速度和精度，以及您希望專用于它們的CPU周期數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，除非配置一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核，否則很難達(dá)到比毫秒更好的計(jì)時(shí)器精度。GPIO更常見(jiàn)的用例是讀取按鈕和數(shù)字傳感器以及控制led、電機(jī)和繼電器。

大多數(shù)soc有很多GPIO位，這些位被組合在GPIO寄存器中，通常每個(gè)寄存器32位。片上GPIO位通過(guò)多路復(fù)用器（稱為pinmux）路由到芯片封裝上的GPIO管腳。在電源管理芯片和專用的GPIO擴(kuò)展器中，可能有額外的GPIO引腳，通過(guò)I2C或SPI總線連接。所有這些多樣性都由一個(gè)名為gpiolib的內(nèi)核子系統(tǒng)來(lái)處理，它實(shí)際上不是一個(gè)庫(kù)，而是GPIO驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)以一致的方式公開(kāi)I/O的基礎(chǔ)設(shè)施。在Documentation/gpio的內(nèi)核源代碼中有關(guān)于gpiolib實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)信息，驅(qū)動(dòng)程序本身的代碼在drivers/gpio中。

應(yīng)用程序可以通過(guò)/sys/class/gpio目錄中的文件與gpiolib交互。下面是一個(gè)典型的嵌入式板（BeagleBone Black）的示例：

ls /sys/class/gpio

export
gpiochip0 gpiochip32 gpiochip64 gpiochip96
unexport

名為gpiochip0到gpiochip96的目錄代表四個(gè)GPIO寄存器，每個(gè)寄存器有32個(gè)GPIO位。如果您查看其中一個(gè)gpiochip目錄，您將看到以下內(nèi)容：

ls

/sys/class/gpio/gpiochip96

base
label ngpio power subsystem uevent

名為base的文件包含寄存器中第一個(gè)GPIO引腳的編號(hào)，ngpio包含寄存器中的位數(shù)。在本例中，gpiochip96/base是96，gpiochip96/ngpio是32，這說(shuō)明它包含GPIO位96到127。在一個(gè)寄存器中的最后一個(gè)GPIO和下一個(gè)寄存器中的第一個(gè)GPIO之間可能存在間隙。 要從用戶空間控制GPIO位，首先必須從內(nèi)核空間導(dǎo)出它，這是通過(guò)將GPIO編號(hào)寫入/sys/class/GPIO/export來(lái)完成的。此示例顯示GPIO 53的處理過(guò)程，它連接到BeagleBone Black上的用戶LED 0：

echo 53 >

/sys/class/gpio/export

ls

/sys/class/gpio

export gpio53 gpiochip0
gpiochip32 gpiochip64 gpiochip96 unexport

現(xiàn)在，有一個(gè)新的目錄gpio53，其中包含控制pin所需的文件。

如果GPIO位已經(jīng)被內(nèi)核聲明，您將無(wú)法以這種方式導(dǎo)出它。

目錄gpio53包含以下文件：

ls

/sys/class/gpio/gpio53

active_low direction
power uevent

device
edge subsystem value

管腳從輸入開(kāi)始。若要將其更改為輸出，請(qǐng)寫入方向文件。文件值包含管腳的當(dāng)前狀態(tài)，0表示低，1表示高。如果是輸出，則可以通過(guò)將0或1寫入值來(lái)更改狀態(tài)。有時(shí)，在硬件中，低和高的含義是相反的（硬件工程師喜歡做這種事情），所以寫1到active_low會(huì)顛倒值的含義，這樣低電壓報(bào)告為1，高電壓報(bào)告為0。

通過(guò)將GPIO編號(hào)寫入到/sys/class/gpio/unexport，可以從用戶空間控件中刪除GPIO。

處理來(lái)自GPIO的中斷

在許多情況下，可以將GPIO輸入配置為在狀態(tài)改變時(shí)生成中斷，這允許您等待中斷，而不是在效率低下的軟件循環(huán)中輪詢。如果GPIO位可以生成中斷，則存在名為edge的文件。最初，它的值稱為none，這意味著它不會(huì)生成中斷。要啟用中斷，可以將其設(shè)置為以下值之一：

上升：上升沿中斷

下降：下降沿中斷

兩個(gè)：在上升和下降邊緣都中斷

無(wú)：無(wú)中斷（默認(rèn)）

可以使用poll（）函數(shù)和POLLPRI作為事件等待中斷。如果要等待GPIO 48上的上升沿，請(qǐng)首先啟用中斷：

echo 48 >

/sys/class/gpio/export

echo falling

/sys/class/gpio/gpio48/edge

然后，使用poll（2）等待更改，如下面的代碼示例所示，您可以在 MELP/chapter_09/gpio-int/gpio-int.c中的代碼存檔一書中看到

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <poll.h> int main(int argc, char *argv[]) { int f; struct pollfd poll_fds[1]; int ret; char value[4]; int n; f = open("/sys/class/gpio/gpio48/value", O_RDONLY); if (f == -1) { perror(“Can’t open gpio48”); return 1; } n = read(f, &value, sizeof(value)); if (n > 0) { printf(“Initial value=%cn”, value[0]); lseek(f, 0, SEEK_SET); } poll_fds[0].fd = f; poll_fds[0].events = POLLPRI | POLLERR; while (1) { printf(“Waitingn”); ret = poll(poll_fds, 1, -1); if (ret > 0) { n = read(f, &value, sizeof(value)); printf(“Button pressed: value=%cn”, value[0]); lseek(f, 0, SEEK_SET); } } return 0; }

發(fā)光二極管

led通常通過(guò)GPIO管腳進(jìn)行控制，但是還有另一個(gè)內(nèi)核子系統(tǒng)提供了更專門的控制。LED內(nèi)核子系統(tǒng)增加了設(shè)置亮度的功能，如果LED有這種能力，它可以處理以其他方式連接的LED，而不是簡(jiǎn)單的GPIO管腳。它可以配置為觸發(fā)事件，如阻止設(shè)備訪問(wèn)或只是一個(gè)心跳信號(hào)，以顯示設(shè)備正在工作。您必須使用選項(xiàng)CONFIG_LEDS_CLASS和適合您的LED觸發(fā)器操作來(lái)配置內(nèi)核。有關(guān)文檔/led/的詳細(xì)信息，驅(qū)動(dòng)程序位于drivers/led/中。

與GPIOs一樣，led是通過(guò)sysfs中目錄為/sys/class/led的接口控制的。在BeagleBone Black的情況下，led的名稱以d的形式編碼在設(shè)備樹(shù)中設(shè)備名稱：顏色：函數(shù)devicename:colour:function，如下所示：

ls /sys/class/leds

beaglebone:green:heartbeat beaglebone:green:usr2

beaglebone:green:mmc0
beaglebone:green:usr3

現(xiàn)在，我們可以查看其中一個(gè)指示燈的屬性，注意shell要求路徑名中的冒號(hào)字符“：”前面必須有一個(gè)反斜杠轉(zhuǎn)義符“”：

cd

/sys/class/leds/beaglebone:green:usr2

ls

brightness max_brightness
subsystem uevent

device power trigger

亮度文件控制LED的亮度，可以是0（關(guān)閉）和最大亮度（完全打開(kāi)）之間的數(shù)字。如果LED不支持中等亮度，任何非零值都會(huì)將其打開(kāi)。名為trigger的文件列出了觸發(fā)LED亮起的事件。觸發(fā)器列表取決于實(shí)現(xiàn)。下面是一個(gè)例子：

cat trigger

none mmc0 mmc1 timer oneshot
heartbeat backlight gpio [cpu0]

default-on

當(dāng)前選定的觸發(fā)器顯示在方括號(hào)中。您可以通過(guò)將其他觸發(fā)器之一寫入文件來(lái)更改它。如果要完全通過(guò)亮度控制LED，請(qǐng)選擇“無(wú)”。如果將觸發(fā)器設(shè)置為計(jì)時(shí)器，則會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)額外文件，允許您以毫秒為單位設(shè)置開(kāi)關(guān)時(shí)間：

echo timer > trigger

ls

brightness delay_on max_brightness
subsystem uevent

delay_off device power trigger

cat delay_on

500

cat

/sys/class/leds/beaglebone:green:heartbeat/delay_off

500

如果LED具有片上定時(shí)器硬件，則閃爍不會(huì)中斷CPU。

I2C

I2C是一種簡(jiǎn)單的低速2線總線，在嵌入式板上很常見(jiàn)，通常用于訪問(wèn)不在SoC上的外圍設(shè)備，如顯示控制器、攝像頭傳感器、GPIO擴(kuò)展器等。在PCs上有一個(gè)稱為系統(tǒng)管理總線（SMBus）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，用于訪問(wèn)溫度和電壓傳感器。SMBus是I2C的一個(gè)子集。

I2C是一種主從協(xié)議，主機(jī)是SoC上的一個(gè)或多個(gè)主機(jī)控制器。從機(jī)有一個(gè)由制造商分配的7位地址（請(qǐng)閱讀數(shù)據(jù)表），每個(gè)總線最多允許128個(gè)節(jié)點(diǎn)，但保留了16個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此實(shí)際上只允許112個(gè)節(jié)點(diǎn)。主機(jī)可以與其中一個(gè)從機(jī)啟動(dòng)讀或?qū)懯聞?wù)。通常，第一個(gè)字節(jié)用于指定從機(jī)上的寄存器，其余字節(jié)是從該寄存器讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)。

每個(gè)主機(jī)控制器有一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，例如，該SoC有四個(gè)：

ls -l /dev/i2c*

crw-rw—- 1 root
i2c 89, 0 Jan 1 00:18 /dev/i2c-0

crw-rw—- 1 root i2c 89, 1 Jan 1 00:18 /dev/i2c-1

crw-rw—- 1 root i2c 89, 2 Jan 1 00:18 /dev/i2c-2

crw-rw—- 1 root i2c 89, 3 Jan 1 00:18 /dev/i2c-3

設(shè)備接口提供一系列ioctl命令，用于查詢主機(jī)控制器并將讀寫命令發(fā)送到I2C從機(jī)。有一個(gè)名為i2c-tools的包，它使用這個(gè)接口提供與i2c設(shè)備交互的基本命令行工具。工具如下：

· i2cdetect : This lists the I2C adapters, and probes the bus

· i2cdump : This dumps data from all the registers of an I2C
peripheral

· i2cget : This reads data from an I2C slave

· i2cset : This writes data to an I2C slave

i2c工具包可以在Buildroot和Yocto項(xiàng)目以及大多數(shù)主流發(fā)行版中獲得。所以，只要你知道從機(jī)的地址和協(xié)議，編寫一個(gè)用戶空間程序來(lái)與設(shè)備對(duì)話是很簡(jiǎn)單的。下面的示例顯示如何從安裝在I2C總線0上BeagleBone Black上的從機(jī)地址0x50上的AT24C512B EEPROM讀取前四個(gè)字節(jié)（代碼在MELP/章節(jié)U 09/I2C示例中）：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <sys/ioctl.h> #include <linux/i2c-dev.h> #define I2C_ADDRESS 0x50 int main(void) { int f; int n; char buf[10]; f = open("/dev/i2c-0", O_RDWR); /* Set the address of the i2c slave device / ioctl(f, I2C_SLAVE, I2C_ADDRESS); / Set the 16-bit address to read from to 0 / buf[0] = 0; / address byte 1 / buf[1] = 0; / address byte 2 / n = write(f, buf, 2); / Now read 4 bytes from that address */ n = read(f, buf, 4); printf(“0x%x 0x%x0 0x%x 0x%xn”, buf[0], buf[1], buf[2], buf[3]); close(f); return 0; }

在Documentation/I2C/dev interface中有關(guān)于I2C的Linux實(shí)現(xiàn)的更多信息。主控制器驅(qū)動(dòng)程序位于drivers/i2c/總線中。

串行外設(shè)接口（SPI）

SPI總線類似于I2C，但速度更快，最高可達(dá)數(shù)十兆赫。在雙工線路中使用四條獨(dú)立的雙工線路進(jìn)行操作?？偩€上的每個(gè)芯片都通過(guò)專用芯片選擇線進(jìn)行選擇。它通常用于連接觸摸屏傳感器、顯示控制器和串行或閃存設(shè)備。

與I2C一樣，它是主從協(xié)議，大多數(shù)SOC實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)主主機(jī)控制器。有一個(gè)通用的SPI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，您可以通過(guò)內(nèi)核配置CONFIG_SPI峎SPIDEV來(lái)啟用它。它為每個(gè)SPI控制器創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，允許您從用戶空間訪問(wèn)SPI芯片。設(shè)備節(jié)點(diǎn)被命名為spidev[bus].[chip select]：

ls -l /dev/spi*

crw-rw—- 1 root root 153, 0 Jan 1 00:29 /dev/spidev1.0

有關(guān)使用spidev接口的示例，請(qǐng)參閱Documentation/spi中的示例代碼。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的嵌入式Linux设备驱动程序：用户空间中的设备驱动程序的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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