linux 子系统框架

Linux 子系统介绍

常见子系统

常见的子系统主要可以归为一下几类：

1、Misc 杂项设备
2、常见的子系统有IIO 子系统
3、Input 输入子系统
4、RTC 子系统
5、显示子系统
6、MTD 子系统
7、V4L2 与 ASoC 子系统

这里由于难易程度不一样，我们从简单的类型开始介绍

Misc 杂项设备

在linux系统中，每个字符设备都会有自己的设备号 （如串口设备、输入设备），他们被称为标准设备，但是在开发的过程中经常会有一些模块难以归类到标准设备中，而这些设备就是杂项设备

Misc 结构体

这里有两个核心的结构体

struct miscdevice是描述设备信息的，
struct file_operations是表述该设备的操作的，当linux用户层执行某些操作的时候，内核会调用这里绑定的函数

// 用来描述设备的信息，具体的初始化会在probe函数里面进行， 一般定义在总线的dev结构体里面
static struct miscdevice xxx_miscdev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, // 让内核自动分配次设备号
    .name  = "xxx_device",       // 生成的设备节点名称，例如 /dev/xxx_device
    .fops  = &xxx_fops,          // 绑定刚才写好的操作函数
}; 

// 用来执行设备的具体操作
static const struct file_operations xxx_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .read = xxx_read,
    .write = xxx_write,
    .open = xxx_open,
    .unlocked_ioctl = xxx_ioctl,
    .release = xxx_release,
};

struct file_operations结构体中对应的函数

//当应用层调用 open() 时,调用这个函数
static int xxx_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    /*
    container_of可以反向推出父指针
    file->private_data：这个一般是固定的，他是包含了 用户定义的dev结构体中struct miscdevice数据的地址
    struct xxx_dev：户定义的dev结构体，也是要反推的那个结构体
    miscdev：户定义的dev结构体中struct miscdevice的变量在dev结构体中的变量名
     */
    struct xxx_dev *dev = container_of(file->private_data, struct xxx_dev, miscdev);
    file->private_data = dev;  //将设备结构体给到file->private_data变量，方便我们后续直接获取dev

    // 可以在这里进行硬件的唤醒、上电等初始化操作，可以根据操作手册
    return 0; 
}

// 应用层调用write时调用
static ssize_t xxx_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
    struct xxx_dev *dev = file->private_data;

    // 自己定义一个接收的数组
    char data_buf[64];
    // 限制写入长度，防止数组越界
    if (count > sizeof(data_buf)) {
        count = sizeof(data_buf);
    }

    // 将用户空间的数据拷贝到内核空间
    if (copy_from_user(data_buf, buf, count)) {
        return -EFAULT;
    }    

    // 解析 data_buf 中的数据，例如通过 SPI/I2C 发送自定义的数据帧到硬件， reg是要写入的寄存器地址
    // i2c写入
    i2c_smbus_write_byte_data(dev->i2c, reg, data_buf[0]);
    
    // spi写入
    spi_write_reg(dev->spi, reg, data_buf[0]);

    return count;
}

// 应用层调用ioctl时调用
static long xxx_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    struct xxx_dev *dev = file->private_data;
    // 最常用的接口，用于向硬件发送控制指令
    switch (cmd) {
        case 0x01: // 宏定义：例如 MPU6050_RESET
            // 执行硬件复位操作
            break;
        case 0x02: // 宏定义：例如 MPU6050_WAKEUP
            // 执行唤醒操作
            break;
        default:
            return -EINVAL; // 无效的命令参数
    }
    return 0;
}

// 应用成调用close时调用
static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    // 硬件的休眠、断电操作
    return 0;
}

static ssize_t xxx_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos){
    struct xxx_dev *dev = file->private_data;  //获取dev结构体

    // 这里用来操作i2c 或者 spi总线进行具体的读取操作
    // i2c读取
    u8 valueA = i2c_smbus_read_byte_data(dev->i2c, reg);
    
    // spi读取
    u8 valueB = 0;
    int ret = spi_read_reg(dev->spi, reg, &valueB);
    if (ret < 0) {
        return ret;
    }

    char data[64];
    int len = snprintf(data, sizeof(data), "valueA: %d, valueB: %d\n", valueA, valueB);

    //将读取到的数据传递到用户层
    if(copy_to_user(buf, data, len)){
        return -EFAULT;
    }
    return len;
}

probe函数

static int xxx_probe(/*参数内容根据总结结构填写*/)
{
  // 获取根据总线类型获取对应的dev结构体指针

  //出很适合杂项结构体
  dev->miscdev.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR;  // 自动获取设备号
  dev->miscdev.name = devm_kasprintf(&client->dev, GFP_KERNEL, "xxx-%d-%02X", client->adapter->nr, client->addr);
  dev->miscdev.fops = &xxx_fops;

  // 其他初始化代码
  
  // 注册杂项设备
  ret = misc_register(&dev->miscdev);
  if(ret < 0){
      printk("xxx 设备注册失败！\n");
      return ret;
  }

  // 其他初始化代码
}

remove函数

static int xxx_remove(/*参数内容根据总结结构填写*/){
    // 获取根据总线类型获取对应的dev结构体指针

    // 其他代码

    // 取消注册杂项设备
    misc_deregister(&dev->miscdev);
    printk("xxx 设备正在被移除！正在执行 remove 函数...\n");

    // 其他代码
    return 0;
}

总结

其实从代码结构来看SPI 和 I2C驱动的主体结构体是相互对应，主要是它们所操作的对应的硬件的不同，需要构建相应的硬件操作对象（为了解耦）。这里是一个复杂点，关于操作的硬件对象我们在下一章节介绍