驱动设计的思想：面向对象/分层/分离

驱动设计的思想：面向对象/分层/分离
面向对象
分层
- 上下分层，比如我们前面写的 LED 驱动程序就分为 2 层：
分离
- 将下层实现硬件相关的操作，进一步细化，将硬件资源和硬件操作分类开来
  - 在 board_A.c 中，实现了一个 led_operations，为 LED 引脚实现了初始化函数、控制函数：
  - 问题：
程序结构如下：
代码示例

面向对象

字符设备驱动程序抽象出一个 file_operations 结构体；
我们写的程序针对硬件操作部分抽象出 led_operations 结构体。
针对硬件资源抽象出 led_resource 结构体。

分层

上下分层，比如我们前面写的 LED 驱动程序就分为 2 层：

① 上层实现硬件无关的操作，比如注册字符设备驱动：leddrv.c

② 下层实现硬件相关的操作（包含硬件操作和硬件资源），比如 board_A.c 实现单板 A 的 LED 操作

分离

将下层实现硬件相关的操作，进一步细化，将硬件资源和硬件操作分类开来

在 board_A.c 中，实现了一个 led_operations，为 LED 引脚实现了初始化函数、控制函数：

static struct led_operations board_demo_led_opr = {
.num = 1,
.init = board_demo_led_init,
.ctl = board_demo_led_ctl,
};

问题：

如果硬件上更换一个引脚来控制 LED 怎么办？你要去修改上面结构体中的 init、ctl 函数。

**实际情况是，每一款芯片它的 GPIO 操作都是类似的。以假设举例，比如：GPIO1_3、 **

**GPIO5_4 这 2 个引脚接到 LED： **

① GPIO1_3 属于第 1 组，即 GPIO1。

有方向寄存器 DIR、数据寄存器 DR 等，基础地址是 addr_base_addr_gpio1。

设置为 output 引脚：修改 GPIO1 的 DIR 寄存器的 bit3。

**设置输出电平：修改 GPIO1 的 DR 寄存器的 bit3。 **

② GPIO5_4 属于第 5 组，即 GPIO5。

有方向寄存器 DIR、数据寄存器 DR 等，基础地址是 addr_base_addr_gpio5。

设置为 output 引脚：修改 GPIO5 的 DIR 寄存器的 bit4。

设置输出电平：修改 GPIO5 的 DR 寄存器的 bit4。

既然引脚操作那么有规律，并且这是跟主芯片相关的，那可以针对该芯片写出比较通用的硬件操作代码。

比如 board_A.c 使用芯片 chipY，那就可以写出：chipY_gpio.c，它实现芯片 Y 的 GPIO操作，适用于芯片 Y 的所有 GPIO 引脚。使用时，我们只需要在 board_A_led.c 中指定使用哪一个引脚即可。

程序结构如下：

以面向对象的思想，在 board_A_led.c 中实现 led_resouce 结构体，它定义“资源”──要用哪一个引脚。

在 chipY_gpio.c 中仍是实现 led_operations 结构体，它要写得更完善，支持所有 GPIO。

代码示例

硬件资源

led_resource.h

#ifndef _LED_RESOURCE_H
#define _LED_RESOURCE_H

/* GPIO3_0 */
/* bit[31:16] = group */
/* bit[15:0]  = which pin */
#define GROUP(x) (x>>16)
#define PIN(x)   (x&0xFFFF)
#define GROUP_PIN(g,p) ((g<<16) | (p))

struct led_resource {
	int pin;
};

struct led_resource *get_led_resouce(void);

#endif

board_A_led.c

#include "led_resource.h"

static struct led_resource board_A_led = {
	.pin = GROUP_PIN(3,1),
};

struct led_resource *get_led_resouce(void)
{
	return &board_A_led;
}

硬件操作

led_opr.h

#ifndef _LED_OPR_H
#define _LED_OPR_H

struct led_operations {
	int (*init) (int which); /* 初始化LED, which-哪个LED */       
	int (*ctl) (int which, char status); /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
};

struct led_operations *get_board_led_opr(void);


#endif

chip_demo_gpio.c

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include "led_opr.h"
#include "led_resource.h"

static struct led_resource *led_rsc;
static int board_demo_led_init (int which) /* 初始化LED, which-哪个LED */	   
{	
	//printk("%s %s line %d, led %d
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which);
	if (!led_rsc)
	{
		led_rsc = get_led_resouce();
	}
	
	printk("init gpio: group %d, pin %d
", GROUP(led_rsc->pin), PIN(led_rsc->pin));
	switch(GROUP(led_rsc->pin))
	{
		case 0:
		{
			printk("init pin of group 0 ...
");
			break;
		}
		case 1:
		{
			printk("init pin of group 1 ...
");
			break;
		}
		case 2:
		{
			printk("init pin of group 2 ...
");
			break;
		}
		case 3:
		{
			printk("init pin of group 3 ...
");
			break;
		}
	}
	
	return 0;
}

static int board_demo_led_ctl (int which, char status) /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
{
	//printk("%s %s line %d, led %d, %s
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, status ? "on" : "off");
	printk("set led %s: group %d, pin %d
", status ? "on" : "off", GROUP(led_rsc->pin), PIN(led_rsc->pin));

	switch(GROUP(led_rsc->pin))
	{
		case 0:
		{
			printk("set pin of group 0 ...
");
			break;
		}
		case 1:
		{
			printk("set pin of group 1 ...
");
			break;
		}
		case 2:
		{
			printk("set pin of group 2 ...
");
			break;
		}
		case 3:
		{
			printk("set pin of group 3 ...
");
			break;
		}
	}

	return 0;
}

static struct led_operations board_demo_led_opr = {
	.init = board_demo_led_init,
	.ctl  = board_demo_led_ctl,
};

struct led_operations *get_board_led_opr(void)
{
	return &board_demo_led_opr;
}

通用驱动软件操作

leddrv.c

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>

#include "led_opr.h"

#define LED_NUM 2

/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *led_class;
struct led_operations *p_led_opr;


#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	printk("%s %s line %d
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/* write(fd, &val, 1); */
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	char status;
	struct inode *inode = file_inode(file);
	int minor = iminor(inode);
	
	printk("%s %s line %d
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_from_user(&status, buf, 1);

	/* 根据次设备号和status控制LED */
	p_led_opr->ctl(minor, status);
	
	return 1;
}

static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	int minor = iminor(node);
	
	printk("%s %s line %d
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	/* 根据次设备号初始化LED */
	p_led_opr->init(minor);
	
	return 0;
}

static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations led_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open    = led_drv_open,
	.read    = led_drv_read,
	.write   = led_drv_write,
	.release = led_drv_close,
};

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
static int __init led_init(void)
{
	int err;
	int i;
	
	printk("%s %s line %d
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_drv);  /* /dev/led */


	led_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_led_class");
	err = PTR_ERR(led_class);
	if (IS_ERR(led_class)) {
		printk("%s %s line %d
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "led");
		return -1;
	}

	for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
		device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "100ask_led%d", i); /* /dev/100ask_led0,1,... */
	
	p_led_opr = get_board_led_opr();
	
	return 0;
}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit led_exit(void)
{
	int i;
	printk("%s %s line %d
", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
		device_destroy(led_class, MKDEV(major, i)); /* /dev/100ask_led0,1,... */

	device_destroy(led_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(led_class);
	unregister_chrdev(major, "100ask_led");
}


/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

测试程序和Makefile

ledtest.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/*
 * ./ledtest /dev/100ask_led0 on
 * ./ledtest /dev/100ask_led0 off
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	char status;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc != 3) 
	{
		printf("Usage: %s <dev> <on | off>
", argv[0]);
		return -1;
	}

	/* 2. 打开文件 */
	fd = open(argv[1], O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file %s
", argv[1]);
		return -1;
	}

	/* 3. 写文件 */
	if (0 == strcmp(argv[2], "on"))
	{
		status = 1;
		write(fd, &status, 1);
	}
	else
	{
		status = 0;
		write(fd, &status, 1);
	}
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

KERN_DIR = /home/book/100ask_roc-rk3399-pc/linux-4.4

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
	$(CROSS_COMPILE)gcc -o ledtest ledtest.c 

clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order
	rm -f ledtest

# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o

# leddrv.c board_demo.c 编译成 100ask.ko
100ask_led-y := leddrv.o chip_demo_gpio.o board_A_led.o
obj-m	+= 100ask_led.o

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面向对象

分层

上下分层，比如我们前面写的 LED 驱动程序就分为 2 层：

分离

将下层实现硬件相关的操作，进一步细化，将硬件资源和硬件操作分类开来

在 board_A.c 中，实现了一个 led_operations，为 LED 引脚实现了初始化函数、控制函数：

问题：

程序结构如下：

代码示例

硬件资源

硬件操作

通用驱动软件操作

测试程序和Makefile