Linux LED 驱动开发实验

Posted 2021-12-08 行稳方能走远

目录

• Linux 下LED 灯驱动原理
• • 地址映射
  • I/O 内存访问函数
• 硬件原理图分析
• 实验程序编写
• • LED 灯驱动程序编写
  • 编写测试APP
• 运行测试
• • 编译驱动程序和测试APP
  • 运行测试

上一章我们详细的讲解了字符设备驱动开发步骤，并且用一个虚拟的chrdevbase 设备为例带领大家完成了第一个字符设备驱动的开发。本章我们就开始编写第一个真正的Linux 字符设备驱动。在I.MX6U-ALPHA 开发板上有一个LED 灯，我们在裸机篇中已经编写过此LED 灯的裸机驱动，本章我们就来学习一下如何编写Linux 下的LED 灯驱动。

Linux 下LED 灯驱动原理

Linux 下的任何外设驱动，最终都是要配置相应的硬件寄存器。所以本章的LED 灯驱动最终也是对I.MX6ULL 的IO 口进行配置，与裸机实验不同的是，在Linux 下编写驱动要符合Linux的驱动框架。I.MX6U-ALPHA 开发板上的LED 连接到I.MX6ULL 的GPIO1_IO03 这个引脚上，因此本章实验的重点就是编写Linux 下I.MX6UL 引脚控制驱动。关于I.MX6ULL 的GPIO 详细
讲解请参考第八章。

地址映射

在编写驱动之前，我们需要先简单了解一下MMU 这个神器，MMU 全称叫做Memory Manage Unit，也就是内存管理单元。在老版本的Linux 中要求处理器必须有MMU，但是现在Linux 内核已经支持无MMU 的处理器了。MMU 主要完成的功能如下：

①、完成虚拟空间到物理空间的映射。
②、内存保护，设置存储器的访问权限，设置虚拟存储空间的缓冲特性。
我们重点来看一下第①点，也就是虚拟空间到物理空间的映射，也叫做地址映射。首先了解两个地址概念：虚拟地址(VA,Virtual Address)、物理地址(PA，Physcical Address)。对于32 位的处理器来说，虚拟地址范围是2^32=4GB，我们的开发板上有512MB 的DDR3，这512MB 的内存就是物理内存，经过MMU 可以将其映射到整个4GB 的虚拟空间，如图41.1.1 所示：

物理内存只有512MB，虚拟内存有4GB，那么肯定存在多个虚拟地址映射到同一个物理地址上去，虚拟地址范围比物理地址范围大的问题处理器自会处理，这里我们不要去深究，因为MMU 是很复杂的一个东西，后续有时间的话正点原子Linux 团队会专门做MMU 专题教程。

Linux 内核启动的时候会初始化MMU，设置好内存映射，设置好以后CPU 访问的都是虚拟地址。比如I.MX6ULL 的GPIO1_IO03 引脚的复用寄存器
IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 的地址为0X020E0068。如果没有开启MMU 的话直接向0X020E0068 这个寄存器地址写入数据就可以配置GPIO1_IO03 的复用功能。现在开启了MMU，并且设置了内存映射，因此就不能直接向0X020E0068 这个地址写入数据了。我们必须得到0X020E0068 这个物理地址在Linux 系统里面对应的虚拟地址，这里就涉及到了物理内存和虚拟内存之间的转换，需要用到两个函数：ioremap 和iounmap。

1、ioremap 函数
ioremap 函数用于获取指定物理地址空间对应的虚拟地址空间，定义在
arch/arm/include/asm/io.h 文件中，定义如下：

1 #define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE)
2
3 void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size, unsigned int mtype)
4 {
5 return arch_ioremap_caller(phys_addr, size, mtype,
__builtin_return_address(0));
6 }

ioremap 是个宏，有两个参数：cookie 和size，真正起作用的是函数__arm_ioremap，此函数有三个参数和一个返回值，这些参数和返回值的含义如下：

phys_addr：要映射给的物理起始地址。
size：要映射的内存空间大小。
mtype：ioremap 的类型，可以选择MT_DEVICE、MT_DEVICE_NONSHARED、
MT_DEVICE_CACHED 和MT_DEVICE_WC，ioremap 函数选择MT_DEVICE。

返回值：__iomem 类型的指针，指向映射后的虚拟空间首地址。

假如我们要获取I.MX6ULL 的IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 寄存器对应的虚拟地址，使用如下代码即可：

#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068)
static void __iomem* SW_MUX_GPIO1_IO03;
SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);

宏SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE 是寄存器物理地址，SW_MUX_GPIO1_IO03 是映射后
的虚拟地址。对于I.MX6ULL 来说一个寄存器是4 字节(32 位)的，因此映射的内存长度为4。
映射完成以后直接对SW_MUX_GPIO1_IO03 进行读写操作即可。

2、iounmap 函数
卸载驱动的时候需要使用iounmap 函数释放掉ioremap 函数所做的映射，iounmap 函数原型如下：

void iounmap (volatile void __iomem *addr)

iounmap 只有一个参数addr，此参数就是要取消映射的虚拟地址空间首地址。假如我们现在要取消掉IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 寄存器的地址映射，使用如下代码即可：

iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);

I/O 内存访问函数

这里说的I/O 是输入/输出的意思，并不是我们学习单片机的时候讲的GPIO 引脚。这里涉及到两个概念：I/O 端口和I/O 内存。当外部寄存器或内存映射到IO 空间时，称为I/O 端口。
当外部寄存器或内存映射到内存空间时，称为I/O 内存。但是对于ARM 来说没有I/O 空间这个概念，因此ARM 体系下只有I/O 内存(可以直接理解为内存)。使用ioremap 函数将寄存器的物理地址映射到虚拟地址以后，我们就可以直接通过指针访问这些地址，但是Linux 内核不建议这么做，而是推荐使用一组操作函数来对映射后的内存进行读写操作。

1、读操作函数
读操作函数有如下几个：

1 u8 readb(const volatile void __iomem *addr)
2 u16 readw(const volatile void __iomem *addr)
3 u32 readl(const volatile void __iomem *addr)

readb、readw 和readl 这三个函数分别对应8bit、16bit 和32bit 读操作，参数addr 就是要读取写内存地址，返回值就是读取到的数据。

2、写操作函数

写操作函数有如下几个：

1 void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr)
2 void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr)
3 void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr)

writeb、writew 和writel 这三个函数分别对应8bit、16bit 和32bit 写操作，参数value 是要写入的数值，addr 是要写入的地址。

硬件原理图分析

本章实验硬件原理图参考8.3 小节即可。

实验程序编写

本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux 驱动例程-> 2_led。
本章实验编写Linux 下的LED 灯驱动，可以通过应用程序对I.MX6U-ALPHA 开发板上的LED 灯进行开关操作。

LED 灯驱动程序编写

新建名为“2_led”文件夹，然后在2_led 文件夹里面创建VSCode 工程，工作区命名为“led”。
工程创建好以后新建led.c 文件，此文件就是led 的驱动文件，在led.c 里面输入如下内容：

1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
6 #include <linux/module.h>
7 #include <linux/errno.h>
8 #include <linux/gpio.h>
9 #include <asm/mach/map.h>
10 #include <asm/uaccess.h>
11 #include <asm/io.h>
12 /***************************************************************
13 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
14 文件名: led.c
15 作者: 左忠凯
16 版本: V1.0
17 描述: LED驱动文件。
18 其他: 无
19 论坛: www.openedv.com
20 日志: 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
21 ***************************************************************/
22 #define LED_MAJOR 200 /* 主设备号*/
23 #define LED_NAME "led" /* 设备名字*/
24
25 #define LEDOFF 0 /* 关灯*/
26 #define LEDON 1 /* 开灯*/
27
28 /* 寄存器物理地址*/
29 #define CCM_CCGR1_BASE (0X020C406C)
30 #define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068)
31 #define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE (0X020E02F4)
32 #define GPIO1_DR_BASE (0X0209C000)
33 #define GPIO1_GDIR_BASE (0X0209C004)
34
35 /* 映射后的寄存器虚拟地址指针*/
36 static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
37 static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
38 static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
39 static void __iomem *GPIO1_DR;
40 static void __iomem *GPIO1_GDIR;
41
42 /*
43 * @description : LED打开/关闭
44 * @param - sta : LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
45 * @return : 无
46 */
47 void led_switch(u8 sta)
48 {
49 u32 val = 0;
50 if(sta == LEDON) {
51 val = readl(GPIO1_DR);
52 val &= ~(1 << 3);
53 writel(val, GPIO1_DR);
54 }else if(sta == LEDOFF) {
55 val = readl(GPIO1_DR);
56 val|= (1 << 3);
57 writel(val, GPIO1_DR);
58 }
59 }
60
61 /*
62 * @description : 打开设备
63 * @param – inode : 传递给驱动的inode
64 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
65 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
66 * @return : 0 成功;其他失败
67 */
68 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
69 {
70 return 0;
71 }
72
73 /*
74 * @description : 从设备读取数据
75 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
76 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
77 * @param - cnt : 要读取的数据长度
78 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
79 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
80 */
81 static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
82 {
83 return 0;
84 }
85
86 /*
87 * @description : 向设备写数据
88 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
89 * @param - buf : 要写给设备写入的数据
90 * @param - cnt : 要写入的数据长度
91 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
92 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
93 */
94 static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
95 {
96 int retvalue;
97 unsigned char databuf[1];
98 unsigned char ledstat;
99
100 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
101 if(retvalue < 0) {
102 printk("kernel write failed!\\r\\n");
103 return -EFAULT;
104 }
105
106 ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值*/
107
108 if(ledstat == LEDON) {
109 led_switch(LEDON); /* 打开LED灯*/
110 } else if(ledstat == LEDOFF) {
111 led_switch(LEDOFF); /* 关闭LED灯*/
112 }
113 return 0;
114 }
115
116 /*
117 * @description : 关闭/释放设备
118 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
119 * @return : 0 成功;其他失败
120 */
121 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
122 {
123 return 0;
124 }
125
126 /* 设备操作函数*/
127 static struct file_operations led_fops = {
128 .owner = THIS_MODULE,
129 .open = led_open,
130 .read = led_read,
131 .write = led_write,
132 .release = led_release,
133 };
134
135 /*
136 * @description : 驱动入口函数
137 * @param : 无
138 * @return : 无
139 */
140 static int __init led_init(void)
141 {
142 int retvalue = 0;
143 u32 val = 0;
144
145 /* 初始化LED */
146 /* 1、寄存器地址映射*/
147 IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
148 SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
149 SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
150 GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
151 GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);
152
153 /* 2、使能GPIO1时钟*/
154 val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
155 val &= ~(3 << 26); /* 清除以前的设置*/
156 val |= (3 << 26); /* 设置新值*/
157 writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);
158
159 /* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
160 * GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
161 */
162 writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
163
164 /* 寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性*/
165 writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
166
167 /* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能*/
168 val = readl(GPIO1_GDIR);
169 val &= ~(1 << 3); /* 清除以前的设置*/
170 val |= (1 << 3); /* 设置为输出*/
171 writel(val, GPIO1_GDIR);
172
173 /* 5、默认关闭LED */
174 val = readl(GPIO1_DR);
175 val |= (1 << 3);
176 writel(val, GPIO1_DR);
177
178 /* 6、注册字符设备驱动*/
179 retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
180 if(retvalue < 0){
181 printk("register chrdev failed!\\r\\n");
182 return -EIO;
183 }
184 return 0;
185 }
186
187 /*
188 * @description : 驱动出口函数
189 * @param : 无
190 * @return : 无
191 */
192 static void __exit led_exit(void)
193 {
194 /* 取消映射*/
195 iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
196 iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
197 iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
198 iounmap(GPIO1_DR);
199 iounmap(GPIO1_GDIR);
200
201 /* 注销字符设备驱动*/
202 unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
203 }
204
205 module_init(led_init);
206 module_exit(led_exit);
207 MODULE_LICENSE("GPL");
208 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

第22~26 行，定义了一些宏，包括主设备号、设备名字、LED 开/关宏。
第29~33 行，本实验要用到的寄存器宏定义。
第36~40 行，经过内存映射以后的寄存器地址指针。
第47~59 行，led_switch 函数，用于控制开发板上的LED 灯亮灭，当参数sta 为LEDON(1)的时候打开LED 灯，sta 为LEDOFF(0)的时候关闭LED 灯。

第68~71 行，led_open 函数，为空函数，可以自行在此函数中添加相关内容，一般在此函数中将设备结构体作为参数filp 的私有数据(filp->private_data)。
第81~84 行，led_read 函数，为空函数，如果想在应用程序中读取LED 的状态，那么就可以在此函数中添加相应的代码，比如读取GPIO1_DR 寄存器的值，然后返回给应用程序。
第94~114 行，led_write 函数，实现对LED 灯的开关操作，当应用程序调用write 函数向led 设备写数据的时候此函数就会执行。首先通过函数copy_from_user 获取应用程序发送过来的操作信息(打开还是关闭LED)，最后根据应用程序的操作信息来打开或关闭LED 灯。
第121~124 行，led_release 函数，为空函数，可以自行在此函数中添加相关内容，一般关闭设备的时候会释放掉led_open 函数中添加的私有数据。
第127~133 行，设备文件操作结构体led_fops 的定义和初始化。
第140~185 行，驱动入口函数led_init，此函数实现了LED 的初始化工作，147~151 行通过ioremap 函数获取物理寄存器地址映射后的虚拟地址，得到寄存器对应的虚拟地址以后就可以完成相关初始化工作了。比如使能GPIO1 时钟、设置GPIO1_IO03 复用功能、配置GPIO1_IO03的属性等等。最后，最重要的一步！使用register_chrdev 函数注册led 这个字符设备。
第192~202 行，驱动出口函数led_exit，首先使用函数iounmap 取消内存映射，最后使用函数unregister_chrdev 注销led 这个字符设备。
第205~206 行，使用module_init 和module_exit 这两个函数指定led 设备驱动加载和卸载函数。
第207~208 行，添加LICENSE 和作者信息。

编写测试APP

编写测试APP，led 驱动加载成功以后手动创建/dev/led 节点，应用APP 通过操作/dev/led
文件来完成对LED 设备的控制。向/dev/led 文件写0 表示关闭LED 灯，写1 表示打开LED 灯。
新建ledApp.c 文件，在里面输入如下内容：

1 #include "stdio.h"
2 #include "unistd.h"
3 #include "sys/types.h"
4 #include "sys/stat.h"
5 #include "fcntl.h"
6 #include "stdlib.h"
7 #include "string.h"
8 /***************************************************************
9 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
10 文件名: ledApp.c
11 作者: 左忠凯
12 版本: V1.0
13 描述: LED驱测试APP。
14 其他: 无
15 使用方法：./ledtest /dev/led 0 关闭LED
16 ./ledtest /dev/led 1 打开LED
17 论坛: www.openedv.com
18 日志: 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
19 ***************************************************************/
20
21 #define LEDOFF 0
22 #define LEDON 1
23
24 /*
25 * @description : main主程序
26 * @param - argc : argv数组元素个数
27 * @param - argv : 具体参数
28 * @return : 0 成功;其他失败
29 */
30 int main(int argc, char *argv[])
31 {
32 int fd, retvalue;
33 char *filename;
34 unsigned char databuf[1];
35
36 if(argc != 3){
37 printf("Error Usage!\\r\\n");
38 return -1;
39 }
40
41 filename = argv[1];
42
43 /* 打开led驱动*/
44 fd = open(filename, O_RDWR);
45 if(fd < 0){
46 printf("file %s open failed!\\r\\n", argv[1]);
47 return -1;
48 }
49
50 databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭*/
51
52 /* 向/dev/led文件写入数据*/
53 retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
54 if(retvalue < 0){
55 printf("LED Control Failed!\\r\\n");
56 close(fd);
57 return -1;
58 }
59
60 retvalue = close(fd); /* 关闭文件*/
61 if(retvalue < 0){
62 printf("file %s close failed!\\r\\n", argv[1]);
63 return -1;
64 }
65 return 0;
66 }

ledApp.c 的内容还是很简单的，就是对led 的驱动文件进行最基本的打开、关闭、写操作等。

运行测试

编译驱动程序和测试APP

1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为led.o，Makefile 内容如下所示：

1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := led.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第4 行，设置obj-m 变量的值为led.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：

make -j32

编译成功以后就会生成一个名为“led.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP输入如下命令编译测试ledApp.c 这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp

编译成功以后就会生成ledApp 这个应用程序。

运行测试

注意！如果大家使用的正点原子出厂系统来做本实验，那么会发现LED 灯会一直闪烁。这是因为正点原子出厂系统默认将LED 灯作为了心跳灯，因此系统启动以后LED 灯就会自动闪烁，这样会影响大家做实验。如果是完全按照本教程自行移植的内核和根文件系统，那么就不会遇到此问题。如果直接使用出厂系统来做实验，我们需要关闭LED 灯的心跳功能，关闭方法参考《【正点原子】I.MX6U 用户快速体验》第3.1 小节，或者输入如下命令即可：

echo none > /sys/class/leds/sys-led/trigger // 改变LED 的触发模式

另外，也可以参考帖子：
http://www.openedv.com/forum.php?mod=viewthread&tid=309456&highlight=led。

将上一小节编译出来的led.ko 和ledApp 这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载led.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe led.ko //加载驱动

驱动加载成功以后创建“/dev/led”设备节点，命令如下：

mknod /dev/led c 200 0

驱动节点创建成功以后就可以使用ledApp 软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令打开LED 灯：

./ledApp /dev/led 1 //打开LED 灯

输入上述命令以后观察I.MX6U-ALPHA 开发板上的红色LED 灯是否点亮，如果点亮的话说明驱动工作正常。在输入如下命令关闭LED 灯：

./ledApp /dev/led 0 //关闭LED 灯

输入上述命令以后观察I.MX6U-ALPHA 开发板上的红色LED 灯是否熄灭，如果熄灭的话说明我们编写的LED 驱动工作完全正常！至此，我们成功编写了第一个真正的Linux 驱动设备程序。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod led.ko