嵌入式硬件库的基本操作方式与分析

本次要介绍的开源软件是 c-periphery：

https://github.com/vsergeev/c-periphery

一个用 C 语言编写的硬件外设访问库。

我们可以用它来读写 Serial、SPI、I2C 等，非常适合在嵌入式产品上使用。

我们可以基于它优秀的代码框架，不断地扩展出更多的功能模块，最终形成自己产品适用的 Linux 硬件抽象层。

源文件：

$ tree .
├── src
│   ├── gpio.c
│   ├── gpio.h
│   ├── i2c.c
│   ├── i2c.h
│   ├── led.c
│   ├── led.h
│   ├── mmio.c
│   ├── mmio.h
│   ├── pwm.c
│   ├── pwm.h
│   ├── serial.c
│   ├── serial.h
│   ├── spi.c
│   ├── spi.h
│   ├── version.c
│   └── version.h

约 4500 行代码，每个硬件模块的代码都是相对独立，上手难度小。
 

能收获什么？
1、降低硬件编程的门槛;

2、了解 Linux 应用层如何访问 GPIO / I2C / SPI / PWM 等硬件;

3、了解如何对硬件外设进行封装，并提供良好的 API;

4、了解如何将代码封装成库;

5、了解如何为代码编写单元测试程序;

c-periphery 很好地示范了如何在 Linux 平台上进行硬件编程，定义出来的接口即丰富又实用。

另外，它最终输出的是静态库 libperiphery.a，并且为每一个硬件模块功能都编写了单元测试代码，代码质量有保障。
 

c-periphery 的用法

简单例子

我们以最常见的串口读写为例：

int main(void)
{
    serial_t *serial;
    uint8_t s[] = "Hello World!";
    uint8_t buf[128];
    int ret;

    serial = serial_new();

    /* Open /dev/ttyUSB0 with baudrate 115200, and defaults of 8N1, no flow control */
    if (serial_open(serial, "/dev/ttyUSB0", 115200) < 0) {
        fprintf(stderr, "serial_open(): %s\n", serial_errmsg(serial));
        exit(1);
    }

    /* Write to the serial port */
    if (serial_write(serial, s, sizeof(s)) < 0) {
        fprintf(stderr, "serial_write(): %s\n", serial_errmsg(serial));
        exit(1);
    }

    /* Read up to buf size or 2000ms timeout */
    if ((ret = serial_read(serial, buf, sizeof(buf), 2000)) < 0) {
        fprintf(stderr, "serial_read(): %s\n", serial_errmsg(serial));
        exit(1);
    }
    printf("read %d bytes: _%s_\n", ret, buf);
    serial_close(serial);
    serial_free(serial);

    return 0;
}

serial_t 是对串口设备的抽象;

serial_new() 用于创建一个串口设备, 这里只是申请了数据，使用完毕后， 要通过 serial_free() 将其释放掉。

serial_open() 用于初始化串口，设置设备节点、波特率等; 相应地，用 serial_close() 可以关闭串口。

serial_write() 用于给串口发数据，模仿了系统调用 write()。

serial_read() 用于从串口读数据，比系统调用 read() 多了一个 timeout_ms 的参数，有了超时机制后，至少可以避免程序一直阻塞。

这就是一个最简单的基于 c-periphery 的串口示例。即便是嵌入式初学者，基于这些接口，也能轻松地读写串口了。
 

另外，这里只用到了最常用的几个 API。对于串口模块，c-periphery 还有很多实用的 API：

比较有意思的几个 API：

serial_poll() 类似 select()，用于监控串口是否有数据，避免死等;

serial_get/set_xxx() 用于读写串口的属性;

serial_fd() 用于获取文件描述符，有了 fd 就意味这所有 Linux 应用编程的机制都可以使用了。例如我们可以将这个 fd 传递给 libev，然后就能进行事件驱动编程了。
 

c-periphery 的实现

关键数据

c-periphery 里对每个硬件模块封装的方法都是类似，用一个结构体来保存模块所有相关的信息，看下面这几个例子。

Serial：

I2C:

GPIO:

它们的成员变量大多都有文件描述符 fd、用于记录错误状态的 errno / error string，然后再加上一些硬件模块特有的成员变量。

最终库的调用者只会看到 serial_t、i2c_t、gpio_t 这种类似描述符的数据类型，使用时不需要关心内部细节。

后续我们要添加自己的硬件模块时，可以依葫芦画瓢，模仿着定义出属于该硬件的 xxx_t 结构体，然后一步步地为 c-periphery 扩展出新的功能模块。
 

几个关键 API 的实现

我们以 Serial 为例，看下其核心 API 的实现。

分配与释放：

就是在申请分配和释放 serial_t 的内存。

写数据 serial_write() 就是调用 write()，读数据 serial_read() 则是利用 select() 实现了超时的功能：

serial_poll() 则是使用 poll() 来完成 io 监控。

其他硬件模块的实现都是类似的。

到此，c-periphery 的核心实现代码就拆解完毕了。

为 c-periphery 添加新的硬件模块
学以致用，我们按照 c-periphery 的框架，添加背光 Backlight 功能。

Backlight 的控制方法可以参考这篇文章：一个控制背光的命令行小工具。
 

先定义 backlight_t:

然后再实现好下面这些 API：

API 的具体实现代码就不再这里展示了，因为控制背光无非就是读写 /sys/class/backlight/ 内的文件节点，难度不大。

总结

c-periphery 是一个 C 语言编写的硬件访问库，已支持 Serial、I2C、SPI、MMIO、PWM、GPIO 等硬件。约 4500 行代码，每个硬件模块的代码都是相对独立，上手难度小，非常使用在嵌入式 Linux 平台上使用。

另外，我们可以基于它优秀的代码框架，不断地扩展出自己需要的功能模块，最终形成自己产品专用的 Linux 硬件抽象层，绝对的嵌入式开发的利器。