Nuttx驱动（一）简介

2023-05-16

第一次写Nuttx系统的驱动，用惯了rt-thread、FreeRTOS等RTOS或裸机的驱动编写。写Nuttx驱动感觉好蹩脚，顺便记录一下（by the way: 先完成，再完善）

Nuttx驱动分类

Nuttx作为类linux的RTOS，驱动结构、风格与linux很相似

1. 字符驱动

例如串口设备、ADC、DAC、CAN、Timer、PWM、编码器、RTC、看门狗、按键等等

2. 块设备驱动

3. 特殊设备驱动

例如网卡、SPI、IIC、LCD、SDIO、USB、MIPI等

Nuttx驱动简介

1. 数据结构

Nuttx通过驱动注册接口，将驱动注册到文件系统中，并实现file_operations操作函数，应用层只需通过标准系统调用，即可调用底层驱动。
底层驱动有分为上半部分（upper_half）和下半部分（lower_half）
本质理解：驱动 = 总线 + 功能
总线：GPIO、SPI、IIC、CAN、USB、串口等；
功能：读写数据、存储、使能、传输等；

`struct file_operations` 在`fs.h`

struct file_operations
{
  /* The device driver open method differs from the mountpoint open method */

  int     (*open)(FAR struct file *filep);

  /* The following methods must be identical in signature and position
   * because the struct file_operations and struct mountp_operations are
   * treated like unions.
   */

  int     (*close)(FAR struct file *filep);
  ssize_t (*read)(FAR struct file *filep, FAR char *buffer, size_t buflen);
  ssize_t (*write)(FAR struct file *filep, FAR const char *buffer,
                   size_t buflen);
  off_t   (*seek)(FAR struct file *filep, off_t offset, int whence);
  int     (*ioctl)(FAR struct file *filep, int cmd, unsigned long arg);

  /* The two structures need not be common after this point */

  int     (*poll)(FAR struct file *filep, struct pollfd *fds, bool setup);
#ifndef CONFIG_DISABLE_PSEUDOFS_OPERATIONS
  int     (*unlink)(FAR struct inode *inode);
#endif
};

// 与 struct file_operations 相关的数据结构
struct file
{
  int               f_oflags;   /* Open mode flags */
  off_t             f_pos;      /* File position */
  FAR struct inode *f_inode;    /* Driver or file system interface */
  FAR void         *f_priv;     /* Per file driver private data */
};

struct pollfd
{
  int fd;			/* File descriptor to poll.  */
  short int events;		/* Types of events poller cares about.  */
  short int revents;		/* Types of events that actually occurred.  */
};

struct inode
{
  FAR struct inode *i_parent;   /* Link to parent level inode */
  FAR struct inode *i_peer;     /* Link to same level inode */
  FAR struct inode *i_child;    /* Link to lower level inode */
  int16_t           i_crefs;    /* References to inode */
  uint16_t          i_flags;    /* Flags for inode */
  union inode_ops_u u;          /* Inode operations */
#ifdef CONFIG_PSEUDOFS_ATTRIBUTES
  mode_t            i_mode;     /* Access mode flags */
  uid_t             i_owner;    /* Owner */
  gid_t             i_group;    /* Group */
  struct timespec   i_atime;    /* Time of last access */
  struct timespec   i_mtime;    /* Time of last modification */
  struct timespec   i_ctime;    /* Time of last status change */
#endif
  FAR void         *i_private;  /* Per inode driver private data */
  char              i_name[1];  /* Name of inode (variable) */
};

1.1. open

要操作设备，第一步就是要打开相应的设备文件，即使用open()打开设备，其返回一个文件描述符fd。打开设备号之后对该设备的操作可以通过fd来完成。
应用中open()以设备的节点路径和操作权限为参数，操作进入VFS，调用fs_open.c中的open()函数，通过设备路径找到对应的inode节点，在进程的文件描述符链表中寻找并分配空闲可用的描述符fd和文件file，最后调用设备节点inode中的文件操作file_operation中的函数open()。应用程序调用成功时，返回本次分配的文件描述符fd，发生错误时，返回-1，错误码记录在errno中。

1.2. close

关闭设备文件，调用file_operations的close()函数，释放设备文件、文件描述符fd。

1.3. read

从设备读取数据。

参数1：文件file指针
参数2：数据buffer
参数3：读取的buffer长度

1.4. write

往设备写数据。
参数同read

1.5. seek

查找或调整文件读写位置。

参数1：文件file指针
参数2：文件位置相对偏移
参数3：设置位置起始点

1.6. ioctl

用于执行设备特定命令，如设置设备属性、配置设备寄存器等。

参数1：文件file指针
参数2：控制命令
参数3：命令参数

1.7. poll

查询指定的一组文件是否可读或可写。

首先初始化信号量，用于实现阻塞，直到文件可读或可写（亦可设置超时时间）

file_operation的poll()函数设计中，如果文件可读、写:

修改对应的pollfd中的返回事件标志为对应的事件;
释放信号量。

参数1： poll_fd数组指针
参数2：查询的文件数量
参数3：等待时间
返回正数：可读写的文件数量
返回0：超时
返回-1：错误

1.8. unlink

用于已挂载的设备或文件卸载，字符设备一般不涉及；常见于块设备。

2. 字符设备驱动注册、注销

Nuttx将驱动设备文件化，即VFS。
struct file_operations 设备文件操作的方法，通过register_driver接口将驱动设备挂到对应的struct inode节点中，struct inode 描述了每个设备节点的位置和数据。当系统调用操作设备文件时，根据对应文件的inode就能索引到对应的函数。

int register_driver(FAR const char *path,
                    FAR const struct file_operations *fops,
                    mode_t mode, FAR void *priv)
{
  FAR struct inode *node;
  int ret;

  /* Insert a dummy node -- we need to hold the inode semaphore because we
   * will have a momentarily bad structure.
   */

  ret = inode_semtake();
  if (ret < 0)
    {
      return ret;
    }

  ret = inode_reserve(path, mode, &node);
  if (ret >= 0)
    {
      /* We have it, now populate it with driver specific information.
       * NOTE that the initial reference count on the new inode is zero.
       */

      INODE_SET_DRIVER(node);

      node->u.i_ops   = fops;
      node->i_private = priv;
      ret             = OK;
    }

  inode_semgive();
  return ret;
}

参数1：设备路径，例如注册一个key驱动到/dev/key
参数2：设备的文件操作指针，指向文件操作实例
参数3：预算的设备访问权限
参数4：为设备驱动传递的私有参数
返回0：注册成功
返回负数：注册失败，错误码

int unregister_driver(FAR const char *path)
{
  int ret;

  ret = inode_semtake();
  if (ret >= 0)
    {
      ret = inode_remove(path);
      inode_semgive();
    }

  return ret;
}

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