Lab 7：字符设备驱动程序

l 这个实验的目的是掌握在嵌入式Linux中如何使用已有的函数库编写应用程序操纵GPIO，如何编写字符设备驱动程序在内核程序中使用GPIO，并学习用面包板搭简单的外部设备电路的方法。

l 实验要求在Linux板卡上连接两个级联的74HC595，由595的输出端控制一个8x8的LED矩阵。通过两个GPIO引脚分别控制595的时钟和数据输入端，可以实现对LED矩阵的控制，在矩阵上显示文字和图案。

实验目的

1. 学习嵌入式Linux的GPIO的使用方式；

2. 学习嵌入式Linux的Arduino接口库；

3. 学习使用面包板搭简单的外部电路；

4. 学习Linux设备驱动程序的开发过程。

5. 学习在内核中访问外设寄存器，操纵外设的方法。

实验器材

硬件

· Linux实验板卡一块；

· 5V/1A电源一个；

· microUSB线一根；

· 面包板一块；

· MAX7219驱动的8x8 LED矩阵一个；

· 面包线若干。

以下为自备（可选）器材：

· PC（Windows/Mac OS/Linux）一台；

· USB-TTL串口线一根（FT232RL芯片或PL2303芯片）；

· 以太网线一根（可能还需要路由器等）。

软件

· 编译软件；

· Fritzing

实验步骤

1. 设计方案，画连线示意图。

2. 在面包板上连线，完成外部电路。

本次实验使用wiringPi库函数，下载链接为https://github.com/WiringPi/WiringPi。设计树莓派与LED连接。接线方案如下：

树莓派	LED
VCC	VCC
GND	GND
GPIO0	DIN
GPIO2	CS
GPIO3	CLK

具体连线拍照效果可见后文。

3. 编写C/C++程序，采用Arduino-ish库或虚拟文件系统访问GPIO，实现在矩阵上显示文字或图案。

使用wiringPi库函数来控制树莓派的GPIO。下载到本地需要./build编译后就可以使用，编程中引入头文件即可。当然编译的时候，需要加上“–lwiringPi”链接入库。

整个写入流程是首先需要把CS引脚置0，表示允许写入。而后从高位顺序写入16个bit。每个bit的写入方式为首先DIN置为要写入的bit值，而后CLK产生一个下降沿（图中为上升沿，不知道为何有差别）即被读入。最后CS引脚置1表示写入结束。而除了数据传输流程之外，接下来是如何在点阵上显示图案了。在运行之前，需要进行一次初始化，其行为是向某几个特定的地址写入特定的值。至少需要写入两个地址，第一个是0x0b，写入0x07表示扫描显示所有行。第二个是0x0c，写入1表示进入工作模式。而后点阵上每一行都有其地址，如第一行是0x01到第八行是0x08，每次向固定行的地址写入一个8位二进制数即可在指定行上显示图案。

代码如下：

#include <wiringPi.h>

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

int CLK = 0;

int CS = 2;

int DIN = 3;

uchar disp1[38][8]={

{0x3C,0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x3C},//0

{0x10,0x18,0x14,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10},//1

{0x7E,0x2,0x2,0x7E,0x40,0x40,0x40,0x7E},//2

{0x3E,0x2,0x2,0x3E,0x2,0x2,0x3E,0x0},//3

{0x8,0x18,0x28,0x48,0xFE,0x8,0x8,0x8},//4

{0x3C,0x20,0x20,0x3C,0x4,0x4,0x3C,0x0},//5

{0x3C,0x20,0x20,0x3C,0x24,0x24,0x3C,0x0},//6

{0x3E,0x22,0x4,0x8,0x8,0x8,0x8,0x8},//7

{0x0,0x3E,0x22,0x22,0x3E,0x22,0x22,0x3E},//8

{0x3E,0x22,0x22,0x3E,0x2,0x2,0x2,0x3E},//9

{0x8,0x14,0x22,0x3E,0x22,0x22,0x22,0x22},//A

{0x3C,0x22,0x22,0x3E,0x22,0x22,0x3C,0x0},//B

{0x3C,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x3C,0x0},//C

{0x7C,0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x7C,0x0},//D

{0x7C,0x40,0x40,0x7C,0x40,0x40,0x40,0x7C},//E

{0x7C,0x40,0x40,0x7C,0x40,0x40,0x40,0x40},//F

{0x3C,0x40,0x40,0x40,0x40,0x44,0x44,0x3C},//G

{0x44,0x44,0x44,0x7C,0x44,0x44,0x44,0x44},//H

{0x7C,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x10,0x7C},//I

{0x3C,0x8,0x8,0x8,0x8,0x8,0x48,0x30},//J

{0x0,0x24,0x28,0x30,0x20,0x30,0x28,0x24},//K

{0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x40,0x7C},//L

{0x81,0xC3,0xA5,0x99,0x81,0x81,0x81,0x81},//M

{0x0,0x42,0x62,0x52,0x4A,0x46,0x42,0x0},//N

{0x3C,0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x3C},//O

{0x3C,0x22,0x22,0x22,0x3C,0x20,0x20,0x20},//P

{0x1C,0x22,0x22,0x22,0x22,0x26,0x22,0x1D},//Q

{0x3C,0x22,0x22,0x22,0x3C,0x24,0x22,0x21},//R

{0x0,0x1E,0x20,0x20,0x3E,0x2,0x2,0x3C},//S

{0x0,0x3E,0x8,0x8,0x8,0x8,0x8,0x8},//T

{0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x22,0x1C},//U

{0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x42,0x24,0x18},//V

{0x0,0x49,0x49,0x49,0x49,0x2A,0x1C,0x0},//W

{0x0,0x41,0x22,0x14,0x8,0x14,0x22,0x41},//X

{0x41,0x22,0x14,0x8,0x8,0x8,0x8,0x8},//Y

{0x0,0x7F,0x2,0x4,0x8,0x10,0x20,0x7F},//Z

{0x8,0x7F,0x49,0x49,0x7F,0x8,0x8,0x8},//中

{0xFE,0xBA,0x92,0xBA,0x92,0x9A,0xBA,0xFE},//国

};

//--------------------------------------------

//功能：向MAX7219(U3)写入字节

//入口参数：DATA

//出口参数：无

//说明：

void Write_Max7219_byte(uchar DATA)

{

uchar i;

digitalWrite(CS,LOW);

for(i = 8; i >= 1; i--)

{

digitalWrite(CLK, LOW);

//Max7219_pinDIN = DATA & 0x80;

if(DATA & 0x80)

digitalWrite(DIN,HIGH);

else

digitalWrite(DIN,LOW);

DATA = DATA << 1;

digitalWrite(CLK, HIGH);

}

//-------------------------------------------

//功能：向MAX7219写入数据

//入口参数：address、dat

//出口参数：无

//说明：

void Write_Max7219(uchar address,uchar dat)

{

digitalWrite(CS, LOW);

Write_Max7219_byte(address); //写入地址，即数码管编号

Write_Max7219_byte(dat); //写入数据，即数码管显示数字

digitalWrite(CS, HIGH);

}

void Init_MAX7219(void)

{

Write_Max7219(0x09, 0x00); //译码方式：BCD码

Write_Max7219(0x0a, 0x03); //亮度

Write_Max7219(0x0b, 0x07); //扫描界限；8个数码管显示

Write_Max7219(0x0c, 0x01); //掉电模式：0，普通模式：1

Write_Max7219(0x0f, 0x00); //显示测试：1；测试结束，正常显示：0

}

int mian()

{

wiringPiSetup(); //wiringPi初始化

pinMode(CLK, OUTPUT);

pinMode(CS, OUTPUT);

pinMode(DIN, OUTPUT);

uchar i, j;

delay(50);

Init_MAX7219();

while (1) {

for(j=0;j<38;j++)

{

for(i=1;i<9;i++)

Write_Max7219(i, disp1[j][i-1]);

delay(1000);

}

之后使用gcc test.cpp –lwiringPi命令编译即可。运行文件时需要root，否则会运行失败。结果图：

4. 编写字符设备驱动程序，直接访问GPIO控制寄存器，能将write()送来的单个字符在矩阵上显示出来。

和上一个实验一样需要首先编写内核模块。之后编译内核装载即可。装载之后可以在dev目录下看到新的模块。这里有个坑就是，内核中的GPIO脚编号和之前实验中的GPIO脚编号不一致。这里需要修改一下。写入的时候出发模块中的matrix_write函数，这和之前操作系统中文件操作的方法类似。代码如下：

#include <linux/init.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/module.h>

#include <linux/moduleparam.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/miscdevice.h>

#include <linux/string.h>

#include <linux/delay.h>

#include <linux/gpio.h>

#include <linux/workqueue.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

#define DIN 17 //原来的0

#define CS 27 //原来的GPIO.2

#define CLK 55 //原来的GPIO.3

#define BUFFERSIZE 128

#define DELAYTIME 1

unsigned char disp[BUFFERSIZE];

int head = 0, tail = 0;

static struct timer_list timer;

void write_byte(unsigned char b){

unsigned char i, tmp;

for (i=0; i<8; i++){

tmp = (b & 0x80) > 0;

b <<= 1;

gpio_set_value(DIN, tmp);

gpio_set_value(CLK, 1);

gpio_set_value(CLK, 0);

}

void write_word(unsigned char addr, unsigned char num){

gpio_set_value(CLK, 0);

gpio_set_value(CS, 1);

gpio_set_value(CS, 0);

write_byte(addr);

write_byte(num);

gpio_set_value(CS, 1);

}

void Matrix_render(unsigned char* tmp){

int i;

for (i=0; i<8; i++){

write_word(i+1, tmp[i]);

}

unsigned char digits[][8]={

{0x1c, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x1c}, // 0

{0x08, 0x18, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, 0x1c}, // 1

{0x1c, 0x22, 0x22, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x3e}, // 2

{0x1c, 0x22, 0x02, 0x0c, 0x02, 0x02, 0x22, 0x1c}, // 3

{0x04, 0x0c, 0x14, 0x14, 0x24, 0x1e, 0x04, 0x04}, // 4

{0x3e, 0x20, 0x20, 0x3c, 0x02, 0x02, 0x22, 0x1c}, // 5

{0x1c, 0x22, 0x20, 0x3c, 0x22, 0x22, 0x22, 0x1c}, // 6

{0x3e, 0x24, 0x04, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08, 0x08}, // 7

{0x1c, 0x22, 0x22, 0x1c, 0x22, 0x22, 0x22, 0x1c}, // 8

{0x1c, 0x22, 0x22, 0x22, 0x1e, 0x02, 0x22, 0x1c}, // 9

};

unsigned char LM[]={

0x80, 0x80, 0x80, 0x91, 0x9b, 0xf5, 0x11, 0x11

};

void Matrix_clear(void){

Matrix_render(LM);

}

void Matrix_init(void){

write_word(0x09, 0x00);

write_word(0x0a, 0x03);

write_word(0x0b, 0x07);

write_word(0x0c, 0x01);

Matrix_clear();

}

void Matrix_next_display(unsigned long);

void ptr_inc(int *ptr){

*ptr = (*ptr + 1) % BUFFERSIZE;

}

static void timer_register(struct timer_list* ptimer){

init_timer(ptimer);

ptimer->data = DELAYTIME;

ptimer->expires = jiffies + (DELAYTIME * HZ);

ptimer->function = Matrix_next_display;

add_timer(ptimer);

}

void disp_start(void){

timer_register(&timer);

}

void Matrix_next_display(unsigned long data){

if (head != tail){

unsigned char *ptr = LM;

unsigned char c = disp[head];

if ('0' <= c && c <= '9'){

ptr = digits[c - '0'];

}

Matrix_render(ptr);

ptr_inc(&head);

disp_start();

}else{

Matrix_clear();

}

static int matrix_write(struct file *file, const char __user *buffer,

size_t count, loff_t *ppos){

int i;

if (head == tail && count > 0){

disp_start();

}

for (i=0; i<count; i++){

ptr_inc(&tail);

if (tail == head)

ptr_inc(&head);

disp[tail] = buffer[i];

}

return count;

}

static struct file_operations matrix_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.write = matrix_write,

.llseek = noop_llseek

};

static struct miscdevice matrix_misc_device = {

.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,

.name = "matrix",

.fops = &matrix_fops

};

static int __init matrix_init(void){

misc_register(&matrix_misc_device);

gpio_request(DIN, "sysfs");

gpio_direction_output(DIN, 0);

gpio_request(CS, "sysfs");

gpio_direction_output(CS, 1);

gpio_request(CLK, "sysfs");

gpio_direction_output(CLK, 0);

Matrix_init();

return 0;

}

static void __exit matrix_exit(void){

misc_deregister(&matrix_misc_device);

del_timer(&timer);

}

module_init(matrix_init);

module_exit(matrix_exit);

之后make编译内核，makefile和上个实验一致。生成内核模块，就可以安装内核了。

往/dev/matrix中输入数字，就可以看到结果了：

可以看到试验成功。