「正点原子Linux连载」第五十四章 platform设备驱动实验（一）

2020-3-21 10:01:14 1570

0 1）实验平台：正点原子Linux开发板 2）摘自《正点原子I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子第五十四章 platform设备驱动实验我们在前面几章编写的设备驱动都非常的简单，都是对IO进行最简单的读写操作。像I2C、SPI、LCD等这些复杂外设的驱动就不能这么去写了，Linux系统要考虑到驱动的可重用性，因此提出了驱动的分离与分层这样的软件思路，在这个思路下诞生了我们将来最常打交道的platform设备驱动，也叫做平台设备驱动。本章我们就来学习一下Linux下的驱动分离与分层，以及plartorm框架下的设备驱动该如何不编写。 54.1 Linux驱动的分离与分层54.1.1 驱动的分隔与分离对于Linux这样一个成熟、庞大、复杂的操作系统，代码的重用性非常重要，否则的话就会在Linux内核中存在大量无意义的重复代码。尤其是驱动程序，因为驱动程序占用了Linux内核代码量的大头，如果不对驱动程序加以管理，任由重复的代码肆意增加，那么用不了多久Linux内核的文件数量就庞大到无法接受的地步。假如现在有三个平台A、B和C，这三个平台(这里的平台说的是SOC)上都有MPU6050这个I2C接口的六轴传感器，按照我们写裸机I2C驱动的时候的思路，每个平台都有一个MPU6050的驱动，因此编写出来的最简单的驱动框架如图54.1.1所示：图54.1.1 传统的I2C设备驱动从图54.1.1可以看出，每种平台下都有一个主机驱动和设备驱动，主机驱动肯定是必须要的，毕竟不同的平台其I2C控制器不同。但是右侧的设备驱动就没必要每个平台都写一个，因为不管对于那个SOC来说，MPU6050都是一样，通过I2C接口读取数据就行了，只需要一个MPU6050的驱动程序即可。如果在来几个I2C设备，比如AT24C02、FT5206(电容触摸屏)等，如果按照图54.1.1中的写法，那么设备端的驱动将会重复的编写好几次。显然在Linux驱动程序中这种写法是不推荐的，最好的做法就是每个平台的I2C控制器都提供一个统一的接口(也叫做主机驱动)，每个设备的话也只提供一个驱动程序(设备驱动)，每个设备通过统一的I2C接口驱动来访问，这样就可以大大简化驱动文件，比如54.1.1中三种平台下的MPU6050驱动框架就可以简化为图54.1.2所示：图54.1.2 改进后的设备驱动实际的I2C驱动设备肯定有很多种，不止MPU6050这一个，那么实际的驱动架构如图54.1.3所示：图54.1.3 分隔后的驱动框架这个就是驱动的分隔，也就是将主机驱动和设备驱动分隔开来，比如I2C、SPI等等都会采用驱动分隔的方式来简化驱动的开发。在实际的驱动开发中，一般I2C主机控制器驱动已经由半导体厂家编写好了，而设备驱动一般也有设备器件的厂家编写好了，我们只需要提供设备信息即可，比如I2C设备的话提供设备连接到了哪个I2C接口上，I2C的速度是多少等等。相当于将设备信息从设备驱动中剥离开来，驱动使用标准方法去获取到设备信息(比如从设备树中获取到设备信息)，然后根据获取到的设备信息来初始化设备。这样就相当于驱动只需要负责驱动，设备只需要设备，想办法将两者进行匹配即可。这个就是Linux中的总线(bus)、驱动(driver)和设备(device)模型，也就是常说的驱动分离。总线就是驱动和设备信息的月老，负责给两者牵线搭桥，如图54.1.4所示：图54.1.4 Linux总线、驱动和设备模式当我们向系统注册一个驱动的时候，总线就会在右侧的设备中查找，看看有没有与之匹配的设备，如果有的话就将两者联系起来。同样的，当向系统中注册一个设备的时候，总线就会在左侧的驱动中查找看有没有与之匹配的设备，有的话也联系起来。Linux内核中大量的驱动程序都采用总线、驱动和设备模式，我们一会要重点讲解的platform驱动就是这一思想下的产物。 54.1.2 驱动的分层上一小节讲了驱动的分隔与分离，本节我们来简单看一下驱动的分层，大家应该听说过网络的7层模型，不同的层负责不同的内容。同样的，Linux下的驱动往往也是分层的，分层的目的也是为了在不同的层处理不同的内容。以其他书籍或者资料常常使用到的input(输入子系统，后面会有专门的章节详细的讲解)为例，简单介绍一下驱动的分层。input子系统负责管理所有跟输入有关的驱动，包括键盘、鼠标、触摸等，最底层的就是设备原始驱动，负责获取输入设备的原始值，获取到的输入事件上报给input核心层。input核心层会处理各种IO模型，并且提供file_operations操作集合。我们在编写输入设备驱动的时候只需要处理好输入事件的上报即可，至于如何处理这些上报的输入事件那是上层去考虑的，我们不用管。可以看出借助分层模型可以极大的简化我们的驱动编写，对于驱动编写来说非常的友好。 54.2 platform平台驱动模型简介前面我们讲了设备驱动的分离，并且引出了总线(bus)、驱动(driver)和设备(device)模型，比如I2C、SPI、USB等总线。但是在SOC中有些外设是没有总线这个概念的，但是又要使用总线、驱动和设备模型该怎么办呢？为了解决此问题，Linux提出了platform这个虚拟总线，相应的就有platform_driver和platform_device。 54.2.1platform总线Linux系统内核使用bus_type结构体表示总线，此结构体定义在文件include/linux/device.h，bus_type结构体内容如下：示例代码54.2.1.1 bus_type结构体代码段 1struct bus_type { 2 constcharname; / 总线名字 / 3 constchardev_name; 4 struct device dev_root; 5 struct device_attribute dev_attrs; 6 conststruct attribute_group *bus_groups; / 总线属性 / 7 conststruct attribute_group dev_groups; / 设备属性 / 8 conststruct attribute_group drv_groups; / 驱动属性 / 9 10 int(match)(struct device dev,struct device_driver drv); 11 int(uevent)(struct device dev,struct kobj_uevent_env env); 12 int(probe)(struct device dev); 13 int(remove)(struct device dev); 14 void(shutdown)(struct device dev); 15 16 int(online)(struct device dev); 17 int(offline)(struct device dev); 18 int(suspend)(struct device dev, pm_message_t state); 19 int(resume)(struct device dev); 20 conststruct dev_pm_ops pm; 21 conststruct iommu_ops iommu_ops; 22 struct subsys_private p; 23 struct lock_class_key lock_key; 24}; 第10行，match函数，此函数很重要，单词match的意思就是“匹配、相配”，因此此函数就是完成设备和驱动之间匹配的，总线就是使用match函数来根据注册的设备来查找对应的驱动，或者根据注册的驱动来查找相应的设备，因此每一条总线都必须实现此函数。match函数有两个参数：dev和drv，这两个参数分别为device和device_driver类型，也就是设备和驱动。 platform总线是bus_type的一个具体实例，定义在文件drivers/base/platform.c，platform总线定义如下：示例代码54.2.1.2 platform总线实例 1struct bus_type platform_bus_type ={ 2 .name ="platform", 3 .dev_groups = platform_dev_groups, 4 .match = platform_match, 5 .uevent = platform_uevent, 6 .pm =&platform_dev_pm_ops, 7}; platform_bus_type就是platform平台总线，其中platform_match就是匹配函数。我们来看一下驱动和设备是如何匹配的，platform_match函数定义在文件drivers/base/platform.c中，函数内容如下所示：示例代码54.2.1.3 platform总线实例 1staticint platform_match(struct device dev, struct device_driver drv) 2{ 3 struct platform_device pdev = to_platform_device(dev); 4 struct platform_driver pdrv = to_platform_driver(drv); 5 6 /When driver_override is set,only bind to the matching driver/ 7 if(pdev->driver_override) 8return!strcmp(pdev->driver_override, drv->name); 9 10 /* Attempt an OF style match first / 11 if(of_driver_match_device(dev, drv))* 12 return1; 13 14 /* Then try ACPI style match / 15 if(acpi_driver_match_device(dev, drv))* 16 return1; 17 18 /* Then try to match against the id table / 19 if(pdrv->id_table)* 20 return platform_match_id(pdrv->id_table, pdev)!=NULL; 21 22 /* fall-back to driver name match / 23 return(strcmp(pdev->name, drv->name)==0);* 24} 驱动和设备的匹配有四种方法，我们依次来看一下：第11~12行，第一种匹配方式， OF类型的匹配，也就是设备树采用的匹配方式，of_driver_match_device函数定义在文件include/linux/of_device.h中。device_driver结构体(表示设备驱动)中有个名为of_match_table的成员变量，此成员变量保存着驱动的compatible匹配表，设备树中的每个设备节点的compatible属性会和of_match_table表中的所有成员比较，查看是否有相同的条目，如果有的话就表示设备和此驱动匹配，设备和驱动匹配成功以后probe函数就会执行。第15~16行，第二种匹配方式，ACPI匹配方式。第19~20行，第三种匹配方式，id_table匹配，每个platform_driver结构体有一个id_table成员变量，顾名思义，保存了很多id信息。这些id信息存放着这个platformd驱动所只是的驱动类型。第23行，第四种匹配方式，如果第三种匹配方式的id_table不存在的话就直接比较驱动和设备的name字段，看看是不是相等，如果相等的话就匹配成功。对于支持设备树的Linux版本号，一般设备驱动为了兼容性都支持设备树和无设备树两种匹配方式。也就是第一种匹配方式一般都会存在，第三种和第四种只要存在一种就可以，一般用的最多的还是第四种，也就是直接比较驱动和设备的name字段，毕竟这种方式最简单了。 54.2.2 platform驱动platform_driver结构体表示platform驱动，此结构体定义在文件include/linux/platform_device.h中，内容如下：示例代码54.2.2.1 platform_driver结构体 1struct platform_driver { 2 int(probe)(struct platform_device ); 3 int(remove)(struct platform_device ); 4 void(shutdown)(struct platform_device ); 5 int(suspend)(struct platform_device , pm_message_t state); 6 int(resume)(struct platform_device ); 7 struct device_driver driver; 8 conststruct platform_device_id id_table; 9 bool prevent_deferred_probe; 10}; 第2行，probe函数，当驱动与设备匹配成功以后probe函数就会执行，非常重要的函数！！一般驱动的提供者会编写，如果自己要编写一个全新的驱动，那么probe就需要自行事项。第7行，driver成员，为device_driver结构体变量，Linux内核里面大量使用到了面向对象的思维，device_driver相当于基类，提供了最基础的驱动框架。plaform_driver继承了这个基类，然后在此基础上又添加了一些特有的成员变量。第8行，id_table表，也就是我们上一小节讲解platform总线匹配驱动和设备的时候采用的第三种方法，id_table是个表(也就是数组)，每个元素的类型为platform_device_id，platform_device_id结构体内容如下：示例代码54.2.2.2 platform_device_id结构体 1struct platform_device_id { 2 char name[PLATFORM_NAME_SIZE]; 3 kernel_ulong_t driver_data; 4}; device_driver结构体定义在include/linux/device.h，device_driver结构体内容如下：示例代码54.2.2.3 device_driver结构体 1struct device_driver { 2constchar name; 3struct bus_type bus; 4 5struct module owner; 6constchar mod_name;/ used for built-in modules / 7 8bool suppress_bind_attrs;/ disables bind/unbind via sysfs / 9 10conststruct of_device_id of_match_table;** 11conststruct acpi_device_id acpi_match_table; 12 13int(probe)(struct device dev); 14int(remove)(struct device dev); 15void(shutdown)(struct device dev); 16int(suspend)(struct device dev, pm_message_t state); 17int(resume)(struct device dev); 18conststruct attribute_group groups; 19 20conststruct dev_pm_ops pm; 21 22struct driver_private p; 23}; 第10行，of_match_table就是采用设备树的时候驱动使用的匹配表，同样是数组，每个匹配项都为of_device_id结构体类型，此结构体定义在文件include/linux/mod_devicetable.h中，内容如下：示例代码54.2.2.4 of_device_id结构体 1struct of_device_id { 2char name[32]; 3char type[32]; 4char compatible[128]; 5constvoid data; 6}; 第4行的compatible非常重要，因为对于设备树而言，就是通过设备节点的compatible属性值和of_match_table中每个项目的compatible成员变量进行比较，如果有相等的就表示设备和此驱动匹配成功。在编写platform驱动的时候，首先定义一个platform_driver结构体变量，然后实现结构体中的各个成员变量，重点是实现匹配方法以及probe函数。当驱动和设备匹配成功以后probe函数就会执行，具体的驱动程序在probe函数里面编写，比如字符设备驱动等等。当我们定义并初始化好platform_driver结构体变量以后，需要在驱动入口函数里面调用platform_driver_register函数向Linux内核注册一个platform驱动，platform_driver_register函数原型如下所示： int platform_driver_register (struct platform_driver driver) 函数参数和返回值含义如下： driver：要注册的platform驱动。返回值：负数，失败；0，成功。还需要在驱动卸载函数中通过platform_driver_unregister函数卸载platform驱动，platform_driver_unregister函数原型如下： void platform_driver_unregister(struct platform_driver drv) 函数参数和返回值含义如下： drv：要卸载的platform驱动。返回值：无。 platform驱动框架如下所示：示例代码54.2.2.5 platform驱动框架 /* 设备结构体 / 1 struct xxx_dev{ 2 struct cdev cdev; 3 / 设备结构体其他具体内容 / 4 }; 5 6 struct xxx_dev xxxdev;/ 定义个设备结构体变量 / 7 8 staticint xxx_open(struct inode inode,struct file filp) 9 { 10 / 函数具体内容 / 11 return0; 12 } 13 14static ssize_t xxx_write(struct file filp,constchar __user buf, size_t cnt, loff_t offt) 15 { 16 /* 函数具体内容 / 17 return0; 18 } 19 20/ 21 * 字符设备驱动操作集 22 / 23 staticstruct file_operations xxx_fops ={ 24 .owner = THIS_MODULE, 25 .open = xxx_open, 26 .write = xxx_write, 27 }; 28 29/ 30 * platform驱动的probe函数 31 * 驱动与设备匹配成功以后此函数就会执行 32 / 33 staticint xxx_probe(struct platform_device dev) 34 { 35 ...... 36 cdev_init(&xxxdev.cdev,&xxx_fops);/* 注册字符设备驱动 / 37 / 函数具体内容 / 38 return0; 39 } 40 41 staticintxxx_remove(struct platform_device dev) 42 { 43 ...... 44 cdev_del(&xxxdev.cdev);/* 删除cdev / 45 / 函数具体内容 / 46 return0; 47 } 48 49/ 匹配列表 / 50staticconststruct of_device_id xxx_of_match[]={ 51 {.compatible ="xxx-gpio"}, 52 {/ Sentinel /} 53}; 54 55/ 56 * platform平台驱动结构体 57 / 58 staticstruct platform_driver xxx_driver ={ 59 .driver ={ 60 .name ="xxx", 61 .of_match_table = xxx_of_match, 62 }, 63 .probe = xxx_probe, 64 .remove = xxx_remove, 65 }; 66 67 / 驱动模块加载 / 68 staticint __init xxxdriver_init(void) 69 { 70 return* platform_driver_register(&xxx_driver); 71} 72 73 /* 驱动模块卸载 / 74 staticvoid __exit xxxdriver_exit(void) 75 { 76 platform_driver_unregister(&xxx_driver); 77 } 78 79 module_init(xxxdriver_init); 80 module_exit(xxxdriver_exit); 81 MODULE_LICENSE("GPL"); 82 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai"); 第1~27行，传统的字符设备驱动，所谓的platform驱动并不是独立于字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动之外的其他种类的驱动。platform只是为了驱动的分离与分层而提出来的一种框架，其驱动的具体实现还是需要字符设备驱动、块设备驱动或网络设备驱动。第33~39行，xxx_probe函数，当驱动和设备匹配成功以后此函数就会执行，以前在驱动入口init函数里面编写的字符设备驱动程序就全部放到此probe函数里面。比如注册字符设备驱动、添加cdev、创建类等等。第41~47行，xxx_remove函数，platform_driver结构体中的remove成员变量，当关闭platfor备驱动的时候此函数就会执行，以前在驱动卸载exit函数里面要做的事情就放到此函数中来。比如，使用iounmap释放内存、删除cdev，注销设备号等等。第50~53行，xxx_of_match匹配表，如果使用设备树的话将通过此匹配表进行驱动和设备的匹配。第51行设置了一个匹配项，此匹配项的compatible值为“xxx-gpio”，因此当设备树中设备节点的compatible属性值为“xxx-gpio”的时候此设备就会与此驱动匹配。第52行是一个标记，of_device_id表最后一个匹配项必须是空的。第58~65行，定义一个platform_driver结构体变量xxx_driver，表示platform驱动，第59~62行设置paltform_driver中的device_driver成员变量的name和of_match_table这两个属性。其中name属性用于传统的驱动与设备匹配，也就是检查驱动和设备的name字段是不是相同。of_match_table属性就是用于设备树下的驱动与设备检查。对于一个完整的驱动程序，必须提供有设备树和无设备树两种匹配方法。最后63和64这两行设置probe和remove这两成员变量。第68~71行，驱动入口函数，调用platform_driver_register函数向Linux内核注册一个platform驱动，也就是上面定义的xxx_driver结构体变量。第74~77行，驱动出口函数，调用platform_driver_unregister函数卸载前面注册的platform驱动。总体来说，platform驱动还是传统的字符设备驱动、块设备驱动或网络设备驱动，只是套上了一张“platform”这张皮皮，目的是为了使用总线、驱动和设备这个驱动模型来实现驱动的分离与分层。 54.2.3 platform设备platform驱动已经准备好了，我们还需要platform设备，否则的话单单一个驱动也做不了什么。platform_device这个结构体表示platform设备，这里我们要注意，如果内核支持设备树的话就不要在使用platform_device来描述设备了，因为改用设备树去描述了。当然了，你如果一定要用platform_device来描述设备信息的话也是可以的。platform_device结构体定义在文件include/linux/platform_device.h中，结构体内容如下：示例代码54.2.3.1 platform_device结构体代码段 22struct platform_device { 23 constcharname; 24 int id; 25 bool id_auto; 26 struct device dev; 27 u32 num_resources; 28 struct resource resource; 29 30 conststruct platform_device_id id_entry; 31 chardriver_override;/ Driver name to force a match / 32 33 / MFD cell pointer / 34 struct mfd_cell mfd_cell; 35 36 /* arch specific additions / 37 struct pdev_archdata archdata; 38}; 第23行，name表示设备名字，要和所使用的platform驱动的name字段相同，否则的话设备就无法匹配到对应的驱动。比如对应的platform驱动的name字段为“xxx-gpio”，那么此name字段也要设置为“xxx-gpio”。第27行，num_resources表示资源数量，一般为第28行resource资源的大小。第28行，resource表示资源，也就是设备信息，比如外设寄存器等。Linux内核使用resource结构体表示资源，resource结构体内容如下：示例代码54.2.3.2 resource结构体代码段 18struct resource { 19 resource_size_t start; 20 resource_size_t end; 21 constchar name; 22 unsignedlong flags; 23 struct resource parent,sibling,child; 24}; start和end分别表示资源的起始和终止信息，对于内存类的资源，就表示内存起始和终止地址，name表示资源名字，flags表示资源类型，可选的资源类型都定义在了文件include/linux/ioport.h里面，如下所示：示例代码54.2.3.3 资源类型 29 #define IORESOURCE_BITS 0x000000ff/ Bus-specific bits / 30 31 #define IORESOURCE_TYPE_BITS 0x00001f00/ Resource type / 32 #define IORESOURCE_IO 0x00000100/ PCI/ISA I/O ports / 33 #define IORESOURCE_MEM 0x00000200 34 #define IORESOURCE_REG 0x00000300/ Register offsets / 35 #define IORESOURCE_IRQ 0x00000400 36 #define IORESOURCE_DMA 0x00000800 37 #define IORESOURCE_BUS 0x00001000 ......* 104/* PCI control bits. Shares IORESOURCE_BITS with above PCI ROM. / 105 #define IORESOURCE_PCI_FIXED (1<<4)/ Do not move resource / 在以前不支持设备树的Linux版本中，用户需要编写platform_device变量来描述设备信息，然后使用platform_device_register函数将设备信息注册到Linux内核中，此函数原型如下所示： int platform_device_register(struct platform_device pdev) 函数参数和返回值含义如下： pdev：要注册的platform设备。返回值：负数，失败；0，成功。如果不再使用platform的话可以通过platform_device_unregister函数注销掉相应的platform设备，platform_device_unregister函数原型如下： void platform_device_unregister(struct platform_device pdev) 函数参数和返回值含义如下： pdev：要注销的platform设备。返回值：无。 platform设备信息框架如下所示：示例代码54.2.3.4 platform设备框架 1/ 寄存器地址定义/ 2 #define PERIPH1_REGISTER_BASE (0X20000000)/ 外设1寄存器首地址 / 3 #define PERIPH2_REGISTER_BASE (0X020E0068)/ 外设2寄存器首地址 / 4 #define REGISTER_LENGTH 4 5 6/ 资源 / 7staticstruct resource xxx_resources[]={ 8 [0]={ 9 .start = PERIPH1_REGISTER_BASE, 10 .end =(PERIPH1_REGISTER_BASE + REGISTER_LENGTH -1), 11 .flags = IORESOURCE_MEM, 12 }, 13 [1]={ 14 .start = PERIPH2_REGISTER_BASE, 15 .end =(PERIPH2_REGISTER_BASE + REGISTER_LENGTH -1), 16 .flags = IORESOURCE_MEM, 17 }, 18}; 19 20/ platform设备结构体 / 21staticstruct platform_device xxxdevice ={ 22 .name ="xxx-gpio", 23 .id =-1, 24 .num_resources = ARRAY_SIZE(xxx_resources), 25 .resource = xxx_resources, 26}; 27 28/ 设备模块加载 / 29staticint __init xxxdevice_init(void) 30{ 31 return* platform_device_register(&xxxdevice); 32} 33 34/* 设备模块注销 */ 35staticvoid __exit xxx_resourcesdevice_exit(void) 36{ 37 platform_device_unregister(&xxxdevice); 38} 39 40 module_init(xxxdevice_init); 41 module_exit(xxxdevice_exit); 42 MODULE_LICENSE("GPL"); 43 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai"); 第7~18行，数组xxx_resources表示设备资源，一共有两个资源，分别为设备外设1和外设2的寄存器信息。因此flags都为IORESOURCE_MEM，表示资源为内存类型的。第21~26行，platform设备结构体变量，注意name字段要和所使用的驱动中的name字段一致，否则驱动和设备无法匹配成功。num_resources表示资源大小，其实就是数组xxx_resources的元素数量，这里用ARRAY_SIZE来测量一个数组的元素个数。第29~32行，设备模块加载函数，在此函数中调用platform_device_register向Linux内核注册platform设备。第35~38行，设备模块卸载函数，在此函数中调用platform_device_unregister从Linux内核中卸载platform设备。示例代码54.2.3.4主要是在不支持设备树的Linux版本中使用的，当Linux内核支持了设备树以后就不需要用户手动去注册platform设备了。因为设备信息都放到了设备树中去描述，Linux内核启动的时候会从设备树中读取设备信息，然后将其组织成platform_device形式，至于设备树到platform_device的具体过程就不去详细的追究了，感兴趣的可以去看一下，网上也有很多博客详细的讲解了整个过程。关于platform下的总线、驱动和设备就讲解到这里，我们接下来就使用platform驱动框架来编写一个LED灯驱动，本章我们不使用设备树来描述设备信息，我们采用自定义platform_device这种“古老”方式来编写LED的设备信息。下一章我们来编写设备树下的platform驱动，这样我们就掌握了无设备树和有设备树这两种platform驱动的开发方式。 2
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