ARM Linux驅動篇 學習溫度感測器ds18b20的驅動編寫過程

来源:https://www.cnblogs.com/NickQ/archive/2018/05/12/9026545.html
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ARM Linux驅動篇 學習溫度感測器ds18b20的驅動編寫過程 原文地址: "http://www.cnblogs.com/NickQ/p/9026545.html " 一、開發板與ds18b20的入門 ds18B20是常用的數字溫度感測器，具有體積小，硬體開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。 ...


ARM Linux驅動篇 學習溫度感測器ds18b20的驅動編寫過程

原文地址:http://www.cnblogs.com/NickQ/p/9026545.html

一、開發板與ds18b20的入門

ds18B20是常用的數字溫度感測器，具有體積小，硬體開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。但樓主在使用過程中發現，ds18b20測量的溫度還是需要進行一定的軟體校準的。後面我們會談論到。

除了上面提到的，ds18b20還有很多可圈可點的有點。下麵說樓主所關註到的幾個。

  1. 單匯流排協議，稱為匯流排，必然可以掛載很多設備，但卻只占用一個IO口。這對於缺乏IO資源的設備來說，就像是救命稻草。
  2. 可以由用戶自己權衡測量精度和測量時間。根據Datasheet，18B20控制寄存器有兩位是用來控制精度和測量時間的。如下圖。
    下圖表明：用戶可以在精度9bit-12bit中，自由切換，這也對應著93.75ms,187.5ms,375ms,750ms四個最大測量時間。也就是說9bit精度意味著，最大測量時間最有93.75ms（對於緩慢變化的溫度來說，這已經很快了），但只可以精確到0.25攝氏度。12bit精度意味著，雖然最大測量時間有750ms，但精度卻能達到0.0625（750ms對於溫度測量不能算很慢，但換來的這個精度卻是不低的）。
    測量精度與測量時間
  3. 可以使用寄生電源供電。這也是這個晶元突出的地方。這意味著可以不連接電源線，也為PCB布板，多設備走線省去了很多方便。

二、開發板的硬體電路和寄存器

樓主這裡使用的是飛凌2440開發板，做學習之用。
電路連接圖如下
電路連接圖
這個板子上是接了電源和外部上拉。事實上這個電源可以由寄生電源，即由信號線DQ上的外部上拉提供。
圖中，也可以看出信號線DQ是連接在了GPG0口。

寄存器說明圖
寄存器物理地址：
reg_addr
寄存器配置說明
GPGCON-GPG0
reg2
GPGDAT AND GPGUP
reg3

三、 驅動實現

/*********************************************************************************
*      Copyright:  (C)2018. Xu Qiang <[email protected]>
*                  All rights reserved.
*
*      Filename:     
*      Description:  
*
*      Version:      1.0.0 (2018/05/10)
*      Author:       Xu Qiang <[email protected]>
*      ChangeLog:    Release version on "2018/05/10 00:14:26"
* 
********************************************************************************/
#include <linux/module.h>   /* Every Linux kernel module must include this head */
#include <linux/init.h>     /* Every Linux kernel module must include this head */
#include <linux/kernel.h>   /* printk() */
#include <linux/fs.h>       /* struct fops */
#include <linux/errno.h>    /* error codes */
#include <linux/cdev.h>     /* cdev_alloc()  */
#include <asm/io.h>         /* ioremap()  */
#include <linux/ioport.h>   /* request_mem_region() */
#include <linux/delay.h>     
#include <linux/moduleparam.h>      
#include <linux/types.h>     
#include <mach/regs-gpio.h>     
#include <mach/hardware.h>     
#include <asm/uaccess.h>     
#include <linux/gpio.h>     
#include <linux/device.h>    

//定義驅動模塊信息
//模塊作者和描述
#define DRV_AUTHOR                "Nick <[email protected]>"
#define DRV_DESC                  "S3C24XX 18B20 driver"

//模塊名
#define DEV_NAME                  "s3c18b20"

//模塊版本信息(只作用於安裝和卸載的列印信息中)
#define DRV_MAJOR_VER             1
#define DRV_MINOR_VER             0
#define DRV_REVER_VER             0


//定義GPG口的寄存器地址，註意偏移地址在程式中的使用
#define S3C_GPG_BASE              0x56000060           //寄存器物理地址基地址
#define GPGCON_OFFSET             0
#define GPGDAT_OFFSET             4
#define GPGUP_OFFSET              8
#define S3C_GPG_LEN               0x10   /* 0x56000060~0x56000070  */ //此處定義的大小包括了四個寄存器地址空間，即4*4位元組(包括保留的寄存器地址)

//定義ds18b20 DQ線對應的埠的GPIO編號。例如：GPG0 GPIO編號為0
#define GPIO_NUM_18B20            0      //18B20 PORT is PG0 

//定義函數操作的參數
//GPIO_Mode 
#define GPIO_MODE_INPUT           0x00
#define GPIO_MODE_OUTPUT          0x01
#define GPIO_MODE_EINT            0x10

//GPIO_STATUS
#define GPIO_STATUS_LOW           0
#define GPIO_STATUS_HIGH          1

//GPIO_PULLUP
#define GPIO_PULLUP_ENABLE        0
#define GPIO_PULLUP_DISABLE       1

#define DISABLE                   0
#define ENABLE                    1

//定義函數巨集
#define s3c_gpio_read(reg)      __raw_readl((reg)+s3c_gpg_membase)
#define s3c_gpio_write(val,reg) __raw_writel((val),(reg)+s3c_gpg_membase)

//設置GPIO模式 參數：操作寄存器的偏移地址、GPIO編號、設置的狀態(取值應為上述的巨集)
#define s3c_18b20_gpio_mode(gpio_mode)       s3c2440_gpio_cfgpin_mode(GPGCON_OFFSET,GPIO_NUM_18B20, gpio_mode)
#define s3c_18b20_gpio_setsta(gpio_status)   s3c2440_gpio_cfgpin_status(GPGDAT_OFFSET,GPIO_NUM_18B20, gpio_status)
#define s3c_18b20_gpio_getsta()              s3c2440_gpio_getpin_status(GPGDAT_OFFSET,GPIO_NUM_18B20)
#define s3c_18b20_gpio_pullup(gpio_pullup)   s3c2440_gpio_cfgpin_pullup(GPGUP_OFFSET,GPIO_NUM_18B20, gpio_pullup)

//全局變數的定義
//設備數量、主設備好、次設備號（此處主設備號可由靜態給定，只要不為0即可。若主設備號為0，則動態申請）
int dev_count = 1;
int dev_major = 0;
int dev_minor = 0;

int debug = DISABLE;

//定義存儲 映射的虛擬地址空間地址的起始地址 變數
static void __iomem   *s3c_gpg_membase;
static struct cdev    *s3c_18b20_cdev;

//設置GPIO模式，此函數由上述的帶參數巨集調用
static int s3c2440_gpio_cfgpin_mode(unsigned long gpio_addr,unsigned char gpio_num, unsigned char gpio_mode)
{
    volatile unsigned long  gpg_con;
    
    if((GPIO_MODE_INPUT != gpio_mode) && (GPIO_MODE_OUTPUT != gpio_mode) && (GPIO_MODE_EINT != gpio_mode))
    {
        return -1;
    }
    
    /* Set GPxCON register, set correspond GPIO port as input or output mode  */
    gpg_con =  s3c_gpio_read(gpio_addr);  //此處的gpio_addr是偏移地址，調用此巨集後會根據s3c_gpg_membase轉換為絕對虛擬地址
    gpg_con &= ~(0x3<<(2*gpio_num));      /* Clear the currespond GPIO configure register */
    gpg_con |= gpio_mode<<(2*gpio_num);   /* Set the currespond GPIO as output mode */

    //帶參數巨集，實現將gpgdat寫入gpio_addr。
    s3c_gpio_write(gpg_con,gpio_addr);    //此處的gpio_addr是偏移地址，調用此巨集後會根據s3c_gpg_membase轉換為絕對虛擬地址
    
    return 0;
}

//設置GPIO引腳電平狀態，此函數由上述的帶參數巨集調用
static int s3c2440_gpio_cfgpin_status(unsigned long gpio_addr,unsigned char gpio_num, unsigned char gpio_status)
{
    volatile unsigned long  gpg_dat;
    
    if((GPIO_STATUS_LOW != gpio_status) && (GPIO_STATUS_HIGH != gpio_status))
    {
        return -1;
    }

    /* Set GPxDAT register, set correspond GPIO port power level as high level or low level */
    gpg_dat = s3c_gpio_read(gpio_addr); //此處的gpio_addr是偏移地址，調用此巨集後會根據s3c_gpg_membase轉換為絕對虛擬地址
    
    if(GPIO_STATUS_LOW == gpio_status)
    {
        gpg_dat &= ~(0x1<<gpio_num); /* This port set to low level */
    }
    else
    {
        gpg_dat |= (0x1<<gpio_num); /* This port set to high level*/
    }
    
    //帶參數巨集，實現將gpgdat寫入gpio_addr。
    s3c_gpio_write(gpg_dat,gpio_addr);  //此處的gpio_addr是偏移地址，調用此巨集後會根據s3c_gpg_membase轉換為絕對虛擬地址
    
    return 0;
}

//設置GPIO上拉狀態，此函數由上述的帶參數巨集調用
static int s3c2440_gpio_cfgpin_pullup(unsigned long gpio_addr,unsigned char gpio_num, unsigned char gpio_pullup)
{
    volatile unsigned long  gpg_up;
    
    if((GPIO_PULLUP_ENABLE != gpio_pullup) && (GPIO_PULLUP_DISABLE != gpio_pullup))
    {
        return -1;
    }
    
    /* Set GPxUP register, set correspond GPIO port pull up resister as enable or disable  */
    gpg_up = s3c_gpio_read(gpio_addr);
    
    if(GPIO_PULLUP_ENABLE == gpio_pullup)
    {
        gpg_up &= ~(0x1<<gpio_num); /* Enable pull up resister */
    }
    else
    {
        gpg_up |= (0x1<<gpio_num);  /* Disable pull up resister */
    }
    
    s3c_gpio_write(gpg_up,gpio_addr);
    
    return 0;
}

//讀取GPIO引腳電平狀態，此函數由上述的帶參數巨集調用
static int s3c2440_gpio_getpin_status(unsigned long gpio_addr,unsigned char gpio_num)
{
    volatile unsigned long  gpg_dat;
    
    /* Get GPxDAT register, get correspond GPIO port power level as high level or low level */
    gpg_dat = s3c_gpio_read(gpio_addr);
    
    gpg_dat &= (0x1<<gpio_num);  
    
    if(gpg_dat)
    {
        return GPIO_STATUS_HIGH;
    }
    else
    {
        return GPIO_STATUS_LOW;
    }
}

//向內核申請4*4個位元組的虛擬地址空間，並與寄存器物理地址綁定映射
static int s3c_18b20_addr_init(void)
{
    
    if(!request_mem_region(S3C_GPG_BASE, S3C_GPG_LEN, "s3c2440 18b20"))
    {
        return -EBUSY;
    }

    if( !(s3c_gpg_membase=ioremap(S3C_GPG_BASE, S3C_GPG_LEN)) )
    {
        release_mem_region(S3C_GPG_BASE, S3C_GPG_LEN);
        return -ENOMEM;
    }

    return 0;
}

//釋放虛擬地址，解除地址映射
static void s3c_18b20_addr_release(void)
{
    release_mem_region(S3C_GPG_BASE, S3C_GPG_LEN);
    
    iounmap(s3c_gpg_membase);
}

//寫ds18b20複位時序
static int s3c_ds18b20_clk_reset(void)    
{    
    int retval = 0;    

    s3c_18b20_gpio_mode(GPIO_MODE_OUTPUT);    
    s3c_18b20_gpio_pullup(GPIO_PULLUP_ENABLE);    

    s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH);    
    udelay(2);    
    s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_LOW); // 拉低ds18b20匯流排，複位ds18b20     
    udelay(500);                // 保持複位電平500us     

    s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH); // 釋放ds18b20匯流排     
    udelay(60);    

    // 若複位成功，ds18b20發出存在脈衝（低電平，持續60~240us）     
    s3c_18b20_gpio_mode(GPIO_MODE_INPUT);     
    retval = s3c_18b20_gpio_getsta();

    udelay(500);    
    s3c_18b20_gpio_mode(GPIO_MODE_OUTPUT);     
    s3c_18b20_gpio_pullup(GPIO_PULLUP_ENABLE);     
    s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH); // 釋放匯流排     

    return retval;    
}  

//ds18b20寫數據時序
static void s3c_ds18b20_clk_write_byte(unsigned char data)    
{    
    int i = 0,flag = 0;    

    s3c_18b20_gpio_mode(GPIO_MODE_OUTPUT);    
    s3c_18b20_gpio_pullup(GPIO_PULLUP_DISABLE);    

    for (i = 0; i < 8; i++)    
    {    
        // 匯流排從高拉至低電平時，就產生寫時隙     
        s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH);     
        udelay(2);    
        s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_LOW);   
        flag = data & 0x01;
        if(flag)        
        {
            s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH); 
        }
        else
        {
            s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_LOW); 
        }  
        udelay(60);    
        data >>= 1;    
    }    
    s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH); // 重新釋放ds18b20匯流排     
}   

//ds18b20讀數據時序
static unsigned char s3c_ds18b20_clk_read_byte(void)    
{    
    int i;    
    unsigned char data = 0;    

    for (i = 0; i < 8; i++)    
    {    
        // 匯流排從高拉至低，只需維持低電平17ts，再把匯流排拉高，就產生讀時隙     
        s3c_18b20_gpio_mode(GPIO_MODE_OUTPUT);   
        s3c_18b20_gpio_pullup(GPIO_PULLUP_ENABLE);   
        s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH);  
        udelay(2);    
        s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_LOW);   
        udelay(2);    
        s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH);   
        udelay(8);    
        data >>= 1;    
        s3c_18b20_gpio_mode(GPIO_MODE_INPUT);    
        if (s3c_18b20_gpio_getsta())    
            data |= 0x80;    
        udelay(50);    
    }    
    s3c_18b20_gpio_mode(GPIO_MODE_OUTPUT);   
    s3c_18b20_gpio_pullup(GPIO_PULLUP_ENABLE);   
    s3c_18b20_gpio_setsta(GPIO_STATUS_HIGH); // 釋放ds18b20匯流排     
    return data;    
}  


//內核的調用介面
static int s3c_18b20_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int flag = 0;    

    printk(KERN_ERR "open start\n");

    flag = s3c_ds18b20_clk_reset();    
    
    printk(KERN_ERR "ds18b20 reset is %d\n",flag);
    
    if (flag & 0x01)    
    {    
        printk(KERN_WARNING "open ds18b20 failed\n");    
        return -1;    
    }    
    printk(KERN_NOTICE "open ds18b20 successful\n");    
    return 0;    
}

//內核的調用介面
static int s3c_18b20_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk(KERN_DEBUG "/dev/s3c_18b20%d closed.\n", iminor(inode));

    return 0;
}

//內核的調用介面
static ssize_t s3c_18b20_read(struct file *filp, char __user * buf, size_t count, loff_t * f_pos) 
{
    int flag;    
    unsigned long err;    
    unsigned char result[2] = { 0x00, 0x00 };    
    
    flag = s3c_ds18b20_clk_reset(); 
    
    if (flag & 0x01)    
    {    
        printk(KERN_WARNING "ds18b20 init failed\n");    
        return -1;    
    }    

    s3c_ds18b20_clk_write_byte(0xcc);    
    s3c_ds18b20_clk_write_byte(0x44);    

    flag = s3c_ds18b20_clk_reset();    
    if (flag & 0x01)    
        return -1;    

    s3c_ds18b20_clk_write_byte(0xcc);    
    s3c_ds18b20_clk_write_byte(0xbe);    

    result[0] = s3c_ds18b20_clk_read_byte();    // 溫度低八位     
    result[1] = s3c_ds18b20_clk_read_byte();    // 溫度高八位     

    err = copy_to_user(buf, &result, sizeof(result));    
    return err ? -EFAULT : min(sizeof(result), count);    
}    

//定義的ds18b20文件操作的數據結構
static struct file_operations s3c_18b20_fops = 
{
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = s3c_18b20_open,
    .read    = s3c_18b20_read,
    .release = s3c_18b20_release,
};

//模塊安裝調用的初始化
static int __init s3c_18b20_init(void)
{
    int                    result;
    dev_t                  devno;

    //申請並映射虛擬地址
    if( 0 != s3c_18b20_addr_init() )
    {
        printk(KERN_ERR "s3c2440 18B20 addr initialize failure.\n");
        return -ENODEV;
    }

    //為設備註冊設備號。如果dev_major不為0，則動態申請主設備號。否者使用dev_major為主設備號
    if (0 != dev_major) /*  Static */
    {
        devno = MKDEV(dev_major, dev_minor);
        result = register_chrdev_region(devno, dev_count, DEV_NAME);
    }
    else
    {
        result = alloc_chrdev_region(&devno, dev_minor, dev_count, DEV_NAME);
        dev_major = MAJOR(devno);
    }

    /*  Alloc for device major failure */
    if (result < 0)
    {
        printk(KERN_ERR "S3C %s driver can't use major %d\n", DEV_NAME, dev_major);
        return -ENODEV;
    } 
    
    printk(KERN_DEBUG "S3C %s driver use major %d\n", DEV_NAME, dev_major);

    //為s3c_18b20_cdev數據結構申請空間
    if(NULL == (s3c_18b20_cdev=cdev_alloc()) )
    {
        printk(KERN_ERR "S3C %s driver can't alloc for the cdev.\n", DEV_NAME);
        unregister_chrdev_region(devno, dev_count);
        return -ENOMEM;
    }
    
    //綁定字元設備數據結構
    s3c_18b20_cdev->owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(s3c_18b20_cdev, &s3c_18b20_fops);

    //註冊cdev到內核
    result = cdev_add(s3c_18b20_cdev, devno, dev_count);
    
    if (0 != result)
    {   
        printk(KERN_INFO "S3C %s driver can't reigster cdev: result=%d\n", DEV_NAME, result); 
        goto ERROR;
    }

            
    printk(KERN_ERR "S3C %s driver[major=%d] version %d.%d.%d installed successfully!\n", 
            DEV_NAME, dev_major, DRV_MAJOR_VER, DRV_MINOR_VER,DRV_REVER_VER);
    return 0;


ERROR:
    printk(KERN_ERR "S3C %s driver installed failure.\n", DEV_NAME);
    cdev_del(s3c_18b20_cdev);
    unregister_chrdev_region(devno, dev_count);
    return result;
}

static void __exit s3c_18b20_exit(void)
{
    dev_t devno = MKDEV(dev_major, dev_minor);

    s3c_18b20_addr_release();

    cdev_del(s3c_18b20_cdev);
    unregister_chrdev_region(devno, dev_count);

    printk(KERN_ERR "S3C %s driver version %d.%d.%d removed!\n", 
            DEV_NAME, DRV_MAJOR_VER, DRV_MINOR_VER,DRV_REVER_VER);

    return ;
}

/* These two functions defined in <linux/init.h> */
module_init(s3c_18b20_init);
module_exit(s3c_18b20_exit);

module_param(debug, int, S_IRUGO);
module_param(dev_major, int, S_IRUGO);

MODULE_AUTHOR(DRV_AUTHOR);
MODULE_DESCRIPTION(DRV_DESC);
MODULE_LICENSE("GPL");

四、編譯的Makefile

LINUX_SRC = ${shell pwd}/../kernel/linux-3.0
CROSS_COMPILE=/opt/xtools/arm920t/bin/arm-linux-
INST_PATH=${shell pwd}/
PWD := $(shell pwd)
EXTRA_CFLAGS+=-DMODULE
obj-m += kernel_18b20.o

modules:
        @make -C $(LINUX_SRC) M=$(PWD) modules
        @make clear

uninstall:
        rm -f ${INST_PATH}/*.ko

install: uninstall
        cp -af *.ko ${INST_PATH}

clear:
        @rm -f *.o *.cmd *.mod.c
        @rm -rf *~ core .depend .tmp_versions Module.symvers modules.order -f
        @rm -f .*ko.cmd .*.o.cmd .*.o.d

clean: clear
        @rm -f *.ko

解釋說明：
LINUX_SRC 指定開發板已編譯過得內核路徑
CROSS_COMPILE 指定交叉編譯器
INST_PATH 安裝路徑
obj-m += kernel_18b20.o 編譯成模塊，輸出文件名為kernel_18b20.o

編譯運行。
修改驅動文件名為kernel_18b20.c
使用make編譯後，將kernel_18b20.ko傳輸至開發板。
使用insmod安裝。可以使用dmesg查看安裝列印信息,也可以使用lsmod查看設備信息

[root@NickQ_fl2440 driver]# insmod kernel_18b20.ko 
[root@NickQ_fl2440 driver]# dmesg
S3C s3c18b20 driver use major 253
S3C s3c18b20 driver[major=253] version 1.0.0 installed successfully!
[root@NickQ_fl2440 driver]# lsmod
kernel_18b20 3250 0 - Live 0xbf000000

然後查看主設備號cat /proc/devices，使用moknod創建設備節點

[root@NickQ_fl2440 driver]# cat /proc/devices | grep s3c18b20
253 s3c18b20
[root@NickQ_fl2440 driver]# mknod -m 755 /dev/s3c18b20 c 253 0
[root@NickQ_fl2440 driver]# ls /dev/s3c18b20 
/dev/s3c18b20

mknod 用法

[root@NickQ_fl2440 driver]# mknod --help
BusyBox v1.27.1 (2017-11-20 21:14:15 CST) multi-call binary.

Usage: mknod [-m MODE] NAME TYPE MAJOR MINOR

Create a special file (block, character, or pipe)

        -m MODE Creation mode (default a=rw)
TYPE:
        b       Block device
        c or u  Character device
        p       Named pipe (MAJOR and MINOR are ignored)

五、編寫測試程式

[nick@XQLY driver]$ vim ~/s3c2440/linux/drivers/test_18b20.c 
/*********************************************************************************
*      Copyright:  (C)2018. Xu Qiang <[email protected]>
*                  All rights reserved.
*
*      Filename:
*      Description:
*
*      Version:      1.0.0 (2018/05/10)
*      Author:       Xu Qiang <[email protected]>
*      ChangeLog:    Release version on "2018/05/10 18:25:02"
*
********************************************************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/ioctl.h>


int main()
{
    int fd;
    unsigned char result[2];
    unsigned char integer_value = 0;
    float decimal_value = 0.0;
    float temperature   = 0.0;

    fd = open("/dev/s3c18b20", 0);

    if(fd < 0)
    {
        perror("open device failed\n");
        exit(1);
    }
    else
        printf("Open success!\n");

    while(1)
    {
        read(fd, &result, sizeof(result));

        integer_value = ((result[0] & 0xf0) >> 4) | ((result[1] & 0x08) << 4);

        decimal_value = (result[0] & 0x0f) * 0.0625;

        temperature = (float)integer_value + decimal_value;

        printf("Current Temperature:%6.4f\n", temperature);

        sleep(1);
    }
}

解析溫度的說明：
溫度格式

我們讀取出來的數據放置在result[2]里。
result[0]對應從LS Byte里讀回來的值
result[1]對應從MS Byte里讀回來的值

所以integer_value = ((result[0] & 0xf0) >> 4) | ((result[1] & 0x08) << 4);是將LS的高四位和MS的低四位取出（其中有一位符號位S），併合成一個數，即為整數部分。decimal_value = (result[0] & 0x0f) * 0.0625;是提取小數部分

六、測試現象

[root@NickQ_fl2440 driver]# ./start_s3c18b20 
Open success!
Current Temperature:26.5625
Current Temperature:26.6250
Current Temperature:26.5625
Current Temperature:26.6250
Current Temperature:26.6250
^C

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