一、驱动认知1.1为何要学习写驱动
蓝莓派开发简单是由于有厂家提供的wiringPi库，实现超声波，实现熔断器操作，做灯的照亮…都十分简单。
但未来做开发时，不一定都是用覆盆子派，则没有wiringPi库可以用。但只要能运行Linux，linux的标准C库一定有。
学会依照标准C库编撰驱动，只要能领到linux内核源码，领到芯片指南，电路图…就能做开发。
用覆盆子派学习的目的除了是为是体验其强悍方便的wiringPi库，更要通过猕猴桃派学会linux内核开发，驱动编撰等，做一个属于自己的库。
1.2文件名与设备号
linux一切皆为文件，其设备管理同样是和文件系统紧密结合。在目录/dev下都能见到键盘，鼠标，屏幕，并口等设备文件，硬件要有相对应的驱动，这么open如何分辨这种硬件呢？
借助文件名与设备号。在/dev下ls-l可以看见
设备号又分为：主设备号用于区别不同种类的设备；次设备号区别同种类型的多个设备。
内核中存在一个驱动数组，管理所有设备的驱动。驱动开发无非以下两件事：
编撰完驱动程序，加载到内核
用户空间open后，调用驱动程序（驱动程序就是操作寄存器来驱动IO口，单片机51,32就是这些操作）
驱动插入到数组的位置（次序）由设备号检索。
1.3open函数打通下层到底层硬件的详尽过程
用户空间调用open（例如open(“/dev/pin4”,O_RDWR)）形成一个软中断（中断号是0x80），步入内核空间调用sys_call，这个sys_call在内核上面是汇编的，用SourceInsight搜索不到。
sys_calll真正调用的是sys_open（属于VFS层虚拟文件系统，由于c盘的分区和引脚分区不一样，为了实现下层统一化）,按照你的设备名例如pin4去到内核的驱动数组，依据其主设备号与次设备号找到相关驱动函数。
调用驱动函数上面的open，这个open就是对寄存器的操作，进而设置IO口引脚电平。这件事对于单片机来说特变容易，就两句话搞定：
sbit pin4 = P1^4;
pin4=1;
二、基于框架编撰驱动代码2.1编撰下层应用代码
目的是用简单的反例展示从用户空间到内核空间的整套流程。
在下层访问一个设备跟访问普通的文件没哪些区别。试写一个简单的open和write去操作设备"pin4"。
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int fd;
fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("open failedn");
perror("reson");
}else{
printf("open successn");
}
fd = write(fd,'1',1);//写一个字符'1',写一个字节
return 0;
}
按照前面提及的驱动认知，有个大致的概念，以open为反例：
下层open→sys_call→sys_open→内核驱动数组节点→执行节点里的open
其实，没有装载驱动的话这个程序执行一定会报错。只有在内核装载了驱动但是在/dev下生成了“pin4”这样一个设备能够运行。
接出来介绍最简单的字符设备驱动框架。
2.2更改内核驱动框架代码
所谓框架，就是在往驱动数组上面加驱动的时侯要符合内核规则，它是定死的东西，基本的句子必需要有，少一个都不行。
尽管有如此多的代码，但核心运行的就两个printk。
#include //file_operations声明
#include //module_init module_exit声明
#include //__init __exit 宏定义声明
#include //class devise声明
#include //copy_from_user 的头文件
#include //设备号 dev_t 类型声明
#include //ioremap iounmap的头文件
static struct class *pin4_class;
static struct device *pin4_class_dev;
static dev_t devno; //设备号
static int major =231; //主设备号
static int minor =0; //次设备号
static char *module_name="pin4"; //模块名 上层的名字
//pin4_open函数
static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
printk("pin4_openn"); //内核的打印函数，和printf类似
return 0;
}
//pin4_write函数 因为上层需要open和write这两个函数
// 如果上层需要调用read等其他函数，可用SourceInsight去内核源码搜索，照着格式修改即可使用 在file_operations结构体里面
static ssize_t pin4_write(struct file *file1,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
printk("pin4_writen");
return 0;
}
static struct file_operations pin4_fops = {//内核定义好的结构体 内核源码里有
//就是驱动的结构体 要加载到内核驱动链表
.owner = THIS_MODULE,
.open = pin4_open, //上层有读 底层就要有open的支持
.write = pin4_write, //上层有写 底层就要有write的支持
};
int __init pin4_drv_init(void) //驱动的真正入口
{
int ret;
devno = MKDEV(major,minor);//创建设备号
//********************注册驱动 加载到内核驱动链表***********
//主设备号231 模块名pin4 上面的结构体
ret = register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops); //注册驱动 告诉内核，把这个驱动加入到内核驱动的链表中
pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo"); //由代码在/dev下自动生成设备 也可以手动生成设备
pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name); //创建设备文件
return 0;
}
void __exit pin4_drv_exit(void)
{
device_destroy(pin4_class,devno); //删除设备 /dev底下的 上面也是创建了设备和类
class_destroy(pin4_class); //删除类
unregister_chrdev(major, module_name); //卸载驱动 就是删除链表节点的驱动
}
module_init(pin4_drv_init); //入口:内核加载驱动的时候，这个宏(module_init它不是个函数)会被调用，而真正的驱动入口是它里面调用的函数
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");
2.3部份代码剖析2.3.1static的作用
内核代码数目庞大，为了避免与其他的文件有变量命名冲突，static限定变量的作用域仅仅只在这个文件。内核源码上面运用了大量的static，由于内核源码诸多，一万五千多个C文件，很容易导致代码命名的冲突。
2.3.2结构体file_operations(最终加载到内核驱动数组)
在SourceInsight中查看结构体file_operations,可以发觉好多的函数表针（指向函数的表针，函数内进行一些程序的执行），这种函数名跟系统下层对文件的操作差不多。（read,write,llseek）
假如下层想要实现read,就复制过来，根据格式改一改才能使用。
下层对应底层，下层想要用read，底层就要有read的支持。
2.3.3自动生成设备
框架中有手动生成设备的代码，这么自动生成设备是怎样样的呢？
步入/dev目录，查看帮助可晓得创建规则
sudomknod设备名称设备类型主设备号次设备号
使用如下命令创建名称为zhu，主设备号为8，次设备号为1的字符设备。
sudo mknod zhu c 8 1
三、驱动代码编译和测试3.1驱动框架的模块编译并发送至猕猴桃派
在ubuntu中，步入Linux内核源码（前一章节编译好的）字符设备驱动目录linux-rpi-4.14.y/drivers/char（IO口属于字符设备驱动）。步入源码目录下的缘由是，写驱动必需要链接到源码(源码定义好了结构体等等)，必需要有源码。
拷贝上文剖析过的驱动框架代码，领到这个文件夹下，并创建成名字为pin44driver2.c的文件
①Makefile内添加生成.o命令
进行配置，致使工程编译时可以编译这个文件
vi Makefile
其实不一定要置于/char下。但注意：置于那个文件夹下，就更改那种文件夹的Makefile即可。
Makefile:
模仿那些文件的编译方法，以编译成模块的方式（还有一个方法为编译进内核）编译pin44driver2.c
在Makefile上面添加：
obj-m += pin44driver2.o
-m就是模块的方式
如图：
②模块编译生成.ko文件
之前编译内核镜像的时侯用的是这个命令：
现今只需进行模块编译，不须要生成zImage,dtbs文件;
回到源码目录/linux-rpi-4.14.y再执行下边指令
ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make modules
注：假如说编译中途提示出错，照着错误提示去更改.c文件即可，和下层编译类似。
编译完成生成的一些文件如下：
③把.ko文件发送至猕猴桃派
scp pin44driver2.ko pi@192.168.43.44:/home/pi
3.2下层代码交叉编译发送至猕猴桃派
拷贝上文剖析的下层代码到ubuntu中，此处我命名为pin44test.c
使用交叉编译工具进行编译
arm-linux-gnueabihf-gcc pin44test.c -o pin4test
发送至猕猴桃派
scp pin4test pi@192.168.43.44:/home/pi
3.3猕猴桃派装载驱动并运行①树莓派加载内核驱动(insmod)
sudo insmod pin44driver2.ko
查看是否早已成功添加驱动
可以去设备下查看
ls /dev/pin4 -l
见到驱动添加成功，主设备号231，次设备号0，和内核上面的代码对应上。
或则lsmod查看内核挂载的驱动
假如须要卸载驱动，就sudormmodpin44driver2
②运行下层代码(无权限)
./pin4test
发觉没有对设备pin4的访问权限
crw是超级用户所拥有的权限，而框中两类用户则无读写的权限（下边有详尽说明）
③增加访问权限再运行
解决方式1：加超级用户
sudo ./pin4test
解决方式2：降低“所有用户都可以访问的权限”（建议）
sudo chmod 666 /dev/pin4
拓展>>chmod命令用于修改文件/文件夹的属性（读，写，执行）
permission to: user(u) group(g) other(o)
/¯¯¯ /¯¯¯ /¯¯¯
octal: 6 6 6
binary: 1 1 0 1 1 0 1 1 0
what to permit: r w x r w x r w x
what to permit - r: read, w: write, x: execute
permission to - user: the owner that create the file/folder
group: the users from group that owner is member
other: all other users
chmod744仅容许用户(所有者)执行所有操作，而组和其他用户只容许读。
④检查是否执行成功：demsg指令查看内核复印信息
用dmesg命令显示内核缓冲区信息，并通过管线筛选与pin4相关信息
dmesg | grep pin4
可以看见这两个复印信息，说明内核的printk早已被成功调用，我们早已成功完成了下层对内核的调用!
四、三种地址介绍
写驱动是为了操作IO口，实现自己的wiringpi库，跟硬件打交道。
首先要理解以下3个地址的概念：
4.1总线地址
浅显来说：cpu才能访问的显存范围
现象：笔记本装了32位（bit）的系统，明明显存条有8G，却只能辨识3.8G左右linux内核驱动，这是由于32位仅能表示/访问232=4,294,967,296bit=4,194,304Kb=4096Mb=4G左右。只有装了64位的，才才能辨识到8G。32位、64位是计算机CPU一次处理数据能力的大小。
猕猴桃派装载32位操作系统，轮询自然是4G。
猕猴桃派的显存：大约是927M
cat /proc/meminfo
4.2化学地址
硬件实际地址或绝对地址，就是硬碟上的排列地址
4.3虚拟地址
又叫逻辑地址（基于算法的地址，软件层面的地址，是假地址）便称为虚拟地址
虚拟地址的作用：
以猕猴桃派为例linux 版本，总线可以访问4G，化学地址只有1G，但须要运行的程序小于1G，假如把程序全部都加载到显存是不可取的。
化学地址数据的运行真正是拿虚拟地址来操作的，虚拟地址可以比1G大，总线地址（CPU能访问的地址范围）能看见4个G，就可以把1个G的数学地址映射成4个G的虚拟地址。当化学地址不能满足程序运行空间需求时，假若没有虚拟地址，程序就不能正常运行。单片机51和STM32假如程序过大，是严禁你烧录的，而在Linux系统环境下是可以的。
猕猴桃派3b的cpu机型是BCM2835，它是ARM-cotexA53构架
4.4MMU显存管理单元
地址框图
可以看见总线地址为FFFFFFFF，即为4G；
内核的页表映射
化学地址的1M通过映射成为4M的虚拟地址（我们写的所有的代码都是在操控虚拟地址，都是假的），这中间有个设计的算法叫页表。
这个表决定了这个4M被映射到虚拟显存的哪一个段，通过MMU进行管理。单片机和ARM处理器的区别就是ARM有MMU（显存管理单元）和CACHE（高速缓存），如右图所示：
五、博通BCM2835第六章IO口配置寄存器5、1GeneralPurposeI/O(GPIO)蓝筹股
查看芯片指南的目的性很强：做哪一块的开发，就只看那一块linux 常用命令，如今要开发的是GPIO，熟悉控制IO口的寄存器最为重要。
假如看完这部份的文档，你对于以下几个问题（前面有解析）有清晰的答案，说明你真正看懂了这一部份的开发。
①操作逻辑：简言之就是如何进行配置相关寄存器，这种配置步骤和思想虽然都很类似。
②需要重点把握的寄存器有什么？诸如输入/输出控制寄存器，输出0/1控制寄存器，消除状态寄存器
5.2、RegisterView导读
在新的平台也要学会捕捉类似的关键信息：选择输入还是输出，0/1,如何消除，上升沿增长沿等。（配置过32/51寄存器的应当对那些很熟悉）
从右图中可以大约了解到所有的IO口被分成了0~5组。
有意思的是，右图最第一列的地址Address是猕猴桃派总线地址，通常芯片指南给的都是真正的数学地址。第二列是寄存器的名子，第三列寄存器功能描述。
一共有41个寄存器，每位寄存器都是32位。
5.1.3配置引脚功能为输入/输出的寄存器
这20~29的IO口（第二列）属于分组2
IO编号要看好
5.1.4配置引脚输出0/1的寄存器
5.1.5配置引脚去除0/1状态的寄存器
整理关键内容
通过文档阅读，可以整理出关键的信息：
有3个最基本的要清楚：
①选择IO是输入/输出控制寄存器：GPFSEL
②输出0/1寄存器：GPSET
③清除寄存器:GPCLR
操作逻辑:
以GPFSEL0寄存器举例，引脚pin4对应的分组就是第0组（51单片机引脚也是分成第0组、第1组、第2组、第3组）。只要在这个分组下，把14-12位设置为001，才能配置pin4引脚为输出。
六、寄存器地址配置(ioremap、volatile化学地址映射成虚拟地址)①在原先框架的基础上，添加寄存器的定义
volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int* GPSET0 = NULL;
volatile unsigned int* GPCLR0 = NULL;
要想写出里面的代码，要把握以下几点：
弄清楚寄存器的分组
其中寄存器的0表示的是分组，目标操作的IO是pin4,由文档可知，属于寄存器分组0。
volatile的使用
加volatile作用是：1、防止编译器优化（你给的这个地址编译器可能觉得不好，可能会省略，也可能会进行修改）这种寄存器变量；2、要求每次直接从寄存器里读值。因为随着程序的执行，会改变寄存器当中的数据linux内核驱动，而读取的都是显存上面的备份数据，数据的时效性没有这么强，读的可能是一个老数据。在内核中对IO口进行操作都要有volatile。
②配置寄存器的地址
在①的基础上，在驱动的初始化pin4_drv_init中添加寄存器地址配置
GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);
GPSET0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
GPCLR0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
要想写出里面的代码，要把握以下几点：
分别找到几个IO寄存器的数学地址
弄清楚GPIO的数学地址（真实地址）
并不是用右图这个地址来对应GPIO功能选择寄存器０的地址，否则编译后运行会有段错误
IO口的起始地址是0x3f000000（从网上找的，猕猴桃派指南第一列是总线地址）,加上GPIO的偏斜量0x200000,所以GPIO的实际化学地址应当是从0x3f200000开始的，之后在这个基础上进行Linux系统的MMU显存虚拟化管理，映射到虚拟地址上，编程都是操作虚拟地址。
继续沿着操作指南找到GPSET0和GPCLR0寄存器的偏斜量，见右图。虽然寄存器的名子是人为的依据功能命名的，本质是一串客观存在的化学地址。
非常注意：BCM2708和BCM2709IO起始地址不同，BCM2708是0x20000000,BCM2709是0x3f000000
按照偏斜值，弄清楚寄存器的化学地址（真实地址）
同样的方式，寄存器GPCLR0的偏斜值为28。
化学地址转换为虚拟地址：ioremap函数
由于无论内核代码还是下层代码操作的都是虚拟地址，代码中直接用化学地址肯定不行，须要进行转换,将IO口寄存器映射成普通显存单元进行访问。
使用函数ioremap:
函数原型：void*ioremap(unsignedlongphys_addr,unsignedlongsize)
phys_addr：要映射的化学地址的基地址；
size：要映射的空间的大小（一个寄存器4个字节）；
七、寄存器功能配置①在函数pin4_open中配置pin4为输出引脚
只要32位寄存器GPFSEL0的14-12位配置为001，其它位不管，即可配置pin4为输出引脚
其实直接暴力形参（0000…001…0000）是不可取的，会把其他的IO口给影响。最好的结果是只改变了14-12位。
运用与（&）/或（|）运算进行位操作
*GPFSEL0 &= ~(0x6 << 12);//110左移12位 取反 与运算
*GPFSEL0 |= (0x1 << 12); //001左移12位 或运算
想要写出以上代码，必须清楚下边两个步骤
1)、与运算给指定位（14bit、13bit）形参0，其他不变
为了便捷描述，这儿把须要“与”上的数称为“辅助数”。（寄存器中的数是假定的）
但为了便捷（1越少，用估算器换算就越简单）得到这个第13、14位为0的数，选择对辅助数“取两次反“。
第一次取反为：00000…110…00000
用估算器在二补码BIN中输入110（便捷就在这，你要是直接在估算器中输入目标辅助数进行换算，数有多少个1都很费力！！）
0110,向左移12位，高位手动补0，则11恰好对上14、13位。
再取反（~），得到一开始想要的让寄存器的数14、13位与上0的辅助数。
2)、或运算给指定位（12bit）形参1
②在函数pin4_write中配置pin4输出0/1（高低电平）
获取下层write函数的值:copy_from_user函数
函数介绍
unsignedlongcopy_from_user(void*to,constvoid__user*from,unsignedlongn)
此函数将from表针指向的用户空间地址开始的连续n个字节的数据送到to表针指向的内核空间地址，简言之是用于将用户空间的数据传送到内核空间
第一个参数to是内核空间的数据目标地址表针，
第二个参数from是用户空间的数据源地址表针，
第三个参数n是数据宽度。
假如数据拷贝成功，则返回零；否则，返回没有拷贝成功的数据字节数。
按照值来操作IO口
int userCmd;上层写的是整型数1，底层就要对应起来用int.如果是字符则用char
copy_from_user(&userCmd,buf,count);
if(userCmd == 1){
printk("set 1n");//内核调试信息
*GPSET0 |= 0x1 << 4;
}else if(userCmd == 0){
printk("set 0n");
*GPCLR0 |= 0x1 << 4;
}else{
printk("cmd errorn");
}
说明（这也是操作逻辑的一部份啦）：
①这个GPSET0，0指的是分组，不是设置成低电平。
②左移4位，是由于GPSET0寄存器的第4位对应pin4,只要把第4位设置为1，表示这个寄存器就对pin4发挥作用，设置成高电平，倘若是0则noeffct（指南内容）。
3、解除虚拟地址映射(iounmap)
退出程序卸载驱动的时侯，解除映射：iounmap函数
voidiounmap（void*addr）//取消ioremap所映射的IO地址
iounmap(GPFSEL0); //init是相反的执行顺序
iounmap(GPSET0);
iounmap(GPCLR0);
八、完整代码1、内核驱动框架
#include //file_operations声明
#include //module_init module_exit声明
#include //__init __exit 宏定义声明
#include //class devise声明
#include //copy_from_user 的头文件
#include //设备号 dev_t 类型声明
#include //ioremap iounmap的头文件
static struct class *pin4_class;
static struct device *pin4_class_dev;
static dev_t devno; //设备号
static int major =231; //主设备号
static int minor =0; //次设备号
static char *module_name="pin4"; //模块名
volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
volatile unsigned int* GPSET0 = NULL;
volatile unsigned int* GPCLR0 = NULL;
//pin4_open函数
static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
printk("pin4_openn"); //内核的打印函数，和printf类似
//open的时候配置pin4为输出引脚
*GPFSEL0 &= ~(0x6 << 12);
*GPFSEL0 |= (0x1 << 12);
return 0;
}
//pin4_write函数
static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
int userCmd;//上层写的是整型数1，底层就要对应起来用int.如果是字符则用char
printk("pin4_writen");
//获取上层write的值
copy_from_user(&userCmd,buf,count);//用户空间向内核空间传输数据
//根据值来执行操作
if(userCmd == 1){
printk("set 1n");
*GPSET0 |= 0x1 << 4;
}else if(userCmd == 0){
printk("set 0n");
*GPCLR0 |= 0x1 << 4;
}else{
printk("cmd errorn");//加入调试信息，方便通过查看内核信息进行修改
}
return 0;
}
static struct file_operations pin4_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = pin4_open,
.write = pin4_write,
};
int __init pin4_drv_init(void) //驱动的真正入口
{
int ret;
printk("insmod driver pin4 successn");
devno = MKDEV(major,minor); //创建设备号
ret = register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops); //注册驱动 告诉内核，把这个驱动加入到内核驱动的链表中
pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo"); //由代码在/dev下自动生成设备
pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name); //创建设备文件
GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);
GPSET0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
GPCLR0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
return 0;
}
void __exit pin4_drv_exit(void)//可以发现和init刚好是相反的执行顺序。
{
iounmap(GPFSEL0);
iounmap(GPSET0);
iounmap(GPCLR0);
device_destroy(pin4_class,devno);
class_destroy(pin4_class);
unregister_chrdev(major, module_name); //卸载驱动
}
module_init(pin4_drv_init); //入口:内核加载驱动的时候，这个宏会被调用，而真正的驱动入口是它调用的函数
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");
2、上层应用程序
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int fd;
int cmd;
fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("open failedn");
perror("reson");
}else{
printf("open successn");
}
printf("请输入0 / 1n 0:设置pin4为低电平n 1:设置pin4为高电平n");
scanf("%d",&cmd);
if(cmd == 0){
printf("pin4设置成低电平n");
}else if(cmd == 1){
printf("pin4设置成高电平n");
}
fd = write(fd,&cmd,1);//写一个字符'1',写一个字节
return 0;
}
3、交叉编译并发送至猕猴桃派①树莓派上卸载之前的pin4驱动、删除猕猴桃派下层可执行程序pin4test和pin44driver2.ko文件
sudo rmmod pin44driver2
用lsmod查看是否卸载成功。
基本上就会手动卸载驱动的，由于上一节框架代码最后有卸载驱动的代码操作。
②驱动框架模块化形式编译和下层应用程序在Ubuntu中进行交叉编译并发送至猕猴桃派
注意：
在Ubuntu的/char目录下由于之前的模块编译生成了.ko,.mod等文件
没关系，直接复制新的驱动框架、新的下层代码到原先的2个.c文件覆盖保存。之后进行交叉编译，新生成的文件会覆盖掉原先的文件。
4、树莓派装载驱动
sudo insmod pin44driver.ko
用dmesg可以看见内核复印出“驱动装载成功”（复印信息来自框架代码）
给权限
sudo chmod 666 /dev/pin4
运行下层应用文件
./pin4test
运行成功！
5、驱动运行成功
输入1时，用命令gpioreadall查看pin4引脚变化，应为OUT1
输入0时，再用命令gpioreadall查看pin4引脚变化，应为OUT0
用dmesg打开内核复印界面，可以看见内核的printk早已被调用，配置执行。
这样就实现了类似WiringPi的库。
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