【嵌入式Linux驱动开发】三、点亮LED，初探驱动与硬件交互
本文共 11772 字，大约阅读时间需要 39 分钟。
总盯着过去，你会瞎掉一只眼；然而忘掉历史，你会双目失明。
文章目录
一、IMX6ULL的GPIO操作流程
1.1 IMX6ULL 的 GPIO 模块结构
阅读IMX6ULL的参考手册，我们可以知道IMX6ULL共有 5 组 GPIO（ GPIO1～GPIO5），每组引脚最多有 32 个，但是可能实际上并没有那么多。
| 组别 | 引脚 |
|---|---|
| GPIO1 有 32 个引脚： | GPIO1_IO0~GPIO1_IO31； |
| GPIO2 有 22 个引脚： | GPIO2_IO0~GPIO2_IO21； |
| GPIO3 有 29 个引脚： | GPIO3_IO0~GPIO3_IO28； |
| GPIO4 有 29 个引脚： | GPIO4_IO0~GPIO4_IO28； |
| GPIO5 有 12 个引脚： | GPIO5_IO0~GPIO5_IO11； |
GPIO 的控制涉及 3 大模块： CCM、 IOMUXC、 GPIO 模块本身，框图如下：
1.2 各个模块含义及具体操作
- CCM: Clock Controller Module (时钟控制模块)
- IOMUXC : IOMUX Controller， IO 复用控制器
- GPIO: General-purpose input/output，通用的输入输出口
1.2.1 CCM模块 - 向 GPIO 模块提供时钟
GPIOx 要用 CCM_CCGRy 寄存器中的 2 位来决定该组 GPIO 是否使能。各组GPIO的具体时钟控制寄存器如下所示。
- GPIO1、 GPIO5 时钟控制寄存器
-
GPIO2时钟控制寄存器
-
GPIO3时钟控制寄存器
-
GPIO4时钟控制寄存器
而CCM_CCGR 寄存器中某 2 位的取值含义如下：
- ① 00：该 GPIO 模块全程被关闭
- ② 01：该 GPIO 模块在 CPU run mode 情况下是使能的；在 WAIT 或 STOP 模式下，关闭。
- ③ 10：保留
- ④ 11：该 GPIO 模块全程使能
1.2.2 IOMUXC模块 - 控制引脚的复用模式及电气属性
| 一个引脚寄存器 | 作用 |
|---|---|
| IOMUXC_SW_ MUX _ CTL_PAD_< PADNAME > | 选择某个 引脚的复用模式 |
| IOMUXC_SW_ PAD _ CTL_PAD_< PADNAME > | 选择某个 引脚的电气属性 |
- IOMUXC_SW_ MUX _ CTL_PAD_< PADNAME >：选择某个引脚的复用模式
-
一个引脚对应一个寄存器（前缀MUX）
-
每个引脚都有8个可选的模式（alternate (ALT) MUX_MODE）
-
顺便一提，上图中的loopback 功能（回环测试）。设置该引脚的 loopback 功能，这样就可以从 GPIOx_PSR 中读到引脚的有实电平！
因为从 GPIOx_DR 中读回的只是上次设置的值，它并不能反应引脚的真实电平。假若硬件故障导致该引脚与地短路了，通过设置 GPIOx_DR让它输出高电平并不会起效果，这时我们通过读取GPIOx_PSR便可知道该引脚的真实输出状态！
- IOMUXC_SW_ PAD _ CTL_PAD_< PADNAME >： 选择某个引脚的电气属性
-
也是一个引脚对应一个寄存器（前缀PAD）
-
设置电气属性
-
1.2.3 GPIO模块
框图如下
主要关心3个寄存器：
- ① GPIOx_GDIR：设置引脚方向，每位对应一个引脚， 1-output， 0-input
-
② GPIOx_DR：设置输出引脚的电平，每位对应一个引脚， 1-高电平， 0-低电平
-
③ GPIOx_PSR：读取引脚的电平，每位对应一个引脚， 1-高电平， 0-低电平
1.3 GPIO的读写操作步骤
1.3.1 读GPIO
- ① 设置 CCM_CCGRx 寄存器中某位使能对应的 GPIO 模块
- ② 设置 IOMUX 来选择引脚用于 GPIO
- ③ 设置 GPIOx_GDIR 中某位为 0，把该引脚设置为输入功能
- ④ 读 GPIOx_DR 或 GPIOx_PSR 得到某位的值（读 GPIOx_DR 返回的是 GPIOx_PSR 的值）
1.3.2 写GPIO
- ① 设置 CCM_CCGRx 寄存器中某位使能对应的 GPIO 模块
- ② 设置 IOMUX 来选择引脚用于 GPIO
- ③ 设置 GPIOx_GDIR 中某位为 1，把该引脚设置为输出功能
- ④ 写 GPIOx_DR 某位的值
二、LED的驱动框架
上一节的Hello驱动，并没有实际操作硬件，而LED点灯驱动操作硬件势在必行。这时就有一个问题需要考虑了，APP应用程序只是调用驱动程序的接口，这个不涉及具体硬件，所以无可厚非。而驱动程序肯定要操作硬件，这时如果把硬件的寄存器操作与驱动程序混在一起编写，那么我们的驱动程序的可移植性将会变得特别差。当硬件发生变动时，我们需要更改驱动程序！这显然不是我们想要的结果，那怎么样才能实现应用程序通用，驱动程序也通用呢？分层！
即把驱动拆分为通用的框架(leddrv.c)、具体的硬件操作(board_X.c)，如下图所示。
分别为不同板子，编写具体的硬件操作代码！每个单板的具体硬件操作分为：LED初始化(board_led_init)和LED控制(board_led_ctrl)！而这两个函数我们又可以将其定义为一个结构体，供上层的leddrv.c调用，于是下图所示框架。
三、编写代码
leddrv.c
#include#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include "led_opr.h"/* 1. 确定主设备号 */static int major = 0;static struct class *led_class;struct led_operations *p_led_opr;/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体 */static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file){ /* 根据node确次设备号 */ int minor = iminor(node); /* 根据次设备号初始化LED */ p_led_opr->init(minor); return 0;}static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file){ return 0;}static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset){ return 0;}/* write(fd, &val, 1); */static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset){ int err; char status; struct inode *node = file_inode(file); int minor = iminor(node); err = copy_from_user(&status, buf, 1); /* 根据次设备号和status控制LED */ p_led_opr->ctl(minor, status); return 1;}/* 2. 定义自己的file_operations结构体 */static struct file_operations led_drv = { .owner = THIS_MODULE, .open = led_drv_open, .read = led_drv_read, .write = led_drv_write, .release = led_drv_close,};/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */static int __init led_init(void){ int err; int i; printk("LED init \r\n"); /* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序 */ major = register_chrdev(0, "led", &led_drv); /* /dev/led */ /* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点 */ led_class = class_create(THIS_MODULE, "led_class"); err = PTR_ERR(led_class); if (IS_ERR(led_class)) { unregister_chrdev(major, "led"); return -1; } /* 注意要在创建设备之前获得led_operaions结构体(需要用到其中的num) */ p_led_opr = get_board_led_opr(); for (i = 0; i < p_led_opr->num; i++) device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "led%d", i); /* /dev/led0,1,... */ return 0;}/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数 */static void __exit led_exit(void){ int i; printk("LED exit \r\n"); for (i = 0; i < p_led_opr->num; i++) device_destroy(led_class, MKDEV(major, i)); /* /dev/led0,1,... */ class_destroy(led_class); unregister_chrdev(major, "led");}module_init(led_init);module_exit(led_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
LED驱动程序说明：
- 驱动程序和上一节的Hello驱动大差不差，核心依然是 file_operations 结构体。
- 我们创建了2个LED，这两个主设备号一样，区分主要靠次设备号！
- 在入口函数中，从底层硬件相关的代码 board_qemu.c 中获得 led_operaions 结构体，相应的别忘了包含头文件led_opr.h
- 然后通过for循环运行device_create函数，初始化led_operaions结构体中的num个LED设备
- 在入口函数中，先创建类，再创建结构体。在出口函数中，需要先销毁结构体，再销毁类！
- open，close函数中可以直接通过
iminor(node)获得设备的此设备号 - write，read函数中需要先通过
file_inode(file)获得node节点，然后再通过iminor(node)获得设备的次设备号！
board_qemu.c
#include#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include "led_opr.h"/* 需要理解开始偏移23个int，即23x4=92=0x5C * IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 地址是 20E_0000h base + 5Ch */struct iomux { volatile unsigned int unnames[23]; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00; /* offset 0x5c*/ volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO01; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO02; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO04; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO05; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO06; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO07; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO08; volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO09;};struct imx6ull_gpio { volatile unsigned int dr; volatile unsigned int gdir; volatile unsigned int psr; volatile unsigned int icr1; volatile unsigned int icr2; volatile unsigned int imr; volatile unsigned int isr; volatile unsigned int edge_sel;};/* enable GPIO1,GPIO5 他们两个都是由CCGR1来控制的！*/static volatile unsigned int *CCM_CCGR1; /* set GPIO5_IO03 as GPIO 值得一提的是，IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3复用时只有一种即GPIO5_IO03*/static volatile unsigned int *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3;/* set GPIO1_IO03 as GPIO */static struct iomux *iomux;static struct imx6ull_gpio *gpio1;static struct imx6ull_gpio *gpio5;static int board_qemu_led_init (int which) /* 初始化LED, which-哪个LED */ { if (!CCM_CCGR1) { CCM_CCGR1 = ioremap(0x20C406C, 4); IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(0x2290014, 4); iomux = ioremap(0x20E0000, sizeof(struct iomux)); gpio1 = ioremap(0x209C000, sizeof(struct imx6ull_gpio)); gpio5 = ioremap(0x20AC000, sizeof(struct imx6ull_gpio)); } if (which == 0) { /* 1. enable GPIO5 * CG15, b[31:30] = 0b11 */ *CCM_CCGR1 |= (3<<30); /* 2. set GPIO5_IO03 as GPIO * MUX_MODE, b[3:0] = 0b101 */ *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = 5; /* 3. set GPIO5_IO03 as output * GPIO5 GDIR, b[3] = 0b1 */ gpio5->gdir |= (1<<3); } else if(which == 1) { /* 1. enable GPIO1 * CG13, b[27:26] = 0b11 */ *CCM_CCGR1 |= (3<<26); /* 2. set GPIO1_IO03 as GPIO * MUX_MODE, b[3:0] = 0b101 */ iomux->IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 5; /* 3. set GPIO1_IO03 as output * GPIO1 GDIR, b[3] = 0b1 */ gpio1->gdir |= (1<<3); } else if(which == 2) { /* 1. enable GPIO1 * CG13, b[27:26] = 0b11 */ *CCM_CCGR1 |= (3<<26); /* 2. set GPIO1_IO05 as GPIO * MUX_MODE, b[3:0] = 0b101 */ iomux->IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO05 = 5; /* 3. set GPIO1_IO05 as output * GPIO1 GDIR, b[5] = 0b1 */ gpio1->gdir |= (1<<5); } else if(which == 3) { /* 1. enable GPIO1 * CG13, b[27:26] = 0b11 */ *CCM_CCGR1 |= (3<<26); /* 2. set GPIO1_IO06 as GPIO * MUX_MODE, b[3:0] = 0b101 */ iomux->IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO06 = 5; /* 3. set GPIO1_IO06 as output * GPIO1 GDIR, b[6] = 0b1 */ gpio1->gdir |= (1<<6); } //printk("%s %s line %d, led %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which); return 0;}static int board_qemu_led_ctl (int which, char status) /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */{ //printk("%s %s line %d, led %d, %s\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, status ? "on" : "off"); if (which == 0) { if (status) /* on : output 0 */ gpio5->dr &= ~(1<<3); else /* on : output 1 */ gpio5->dr |= (1<<3); } else if (which == 1) { if (status) /* on : output 0 */ gpio1->dr &= ~(1<<3); else /* on : output 1 */ gpio1->dr |= (1<<3); } else if (which == 2) { if (status) /* on : output 0 */ gpio1->dr &= ~(1<<5); else /* on : output 1 */ gpio1->dr |= (1<<5); } else if (which == 3) { if (status) /* on : output 0 */ gpio1->dr &= ~(1<<6); else /* on : output 1 */ gpio1->dr |= (1<<6); } return 0;}static struct led_operations board_qemu_led_opr = { .num = 4, .init = board_qemu_led_init, .ctl = board_qemu_led_ctl,};struct led_operations *get_board_led_opr(void){ return &board_qemu_led_opr;}
单板程序编程步骤
- ① 看原理图确定引脚，确定引脚输出什么电平才能点亮/熄灭 LED
- ② 看主芯片手册，确定寄存器操作方法：哪些寄存器？哪些位？地址是？
- ③ 编写驱动：先写框架，再写硬件操作的代码
GPIO单板控制说明
- 先来上单板要控制的LED原理图，
- 在芯片手册中确定的寄存器地址被称为物理地址，在 Linux 内核中无法直接使用。需要使用内核提供的 ioremap 把物理地址映射为虚拟地址，使用虚拟地址。
- 实际上，它是按页(4096 字节)进行映射的，是整页整页地映射的。假设 phys_addr = 0x10002， size=4， ioremap 的内部实现是：
- a. phys_addr 按页取整，得到地址 0x10000
- b. size 按页取整，得到 4096
- c. 把起始地址 0x10000，大小为 4096 的这一块物理地址空间，映射到虚拟地址空间，假设得到的虚拟空间起始地址为 0xf0010000
- d. 那么 phys_addr = 0x10002 对应的 virt_addr = 0xf0010002
- 不再使用该段虚拟地址时，要 iounmap(virt_addr)：【本程序暂时未释放，下一篇优化！】
- 实际上，它是按页(4096 字节)进行映射的，是整页整页地映射的。假设 phys_addr = 0x10002， size=4， ioremap 的内部实现是：
- 需要理解iomux开始偏移23个int的原因，23个int即23x4=92=0x5C。而IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 地址是 20E_0000h base + 5Ch
- GPIO1,GPIO5 他们两个都是由CCGR1来控制的！
- 值得一提的是，IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3复用GPIO时只有一种即GPIO5_IO03
- 另外注意程序中使用的volatile关键字：防止编译器优化，详细介绍参考。
led_opr.h
#ifndef _LED_OPR_H#define _LED_OPR_Hstruct led_operations { int num; /* num-LED数量 */ int (*init) (int which); /* 初始化LED, which-哪个LED */ int (*ctl) (int which, char status); /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */};struct led_operations *get_board_led_opr(void);#endif led_operations 需要说明的：
- 该头文件定义led_operations结构体，注意它的写法想不想file_operation呢？细细体会！
- 声明了led_operations返回函数get_board_led_opr
ledtest.c
#include#include #include #include #include #include /* * ./ledtest /dev/led0 on * ./ledtest /dev/led0 off */int main(int argc, char **argv){ int fd; char status; /* 1. 判断参数 */ if (argc != 3) { printf("Usage: %s \n", argv[0]); return -1; } /* 2. 打开文件 */ fd = open(argv[1], O_RDWR); if (fd == -1) { printf("can not open file %s\n", argv[1]); return -1; } /* 3. 写文件 */ if (0 == strcmp(argv[2], "on")) { status = 1; write(fd, &status, 1); } else { status = 0; write(fd, &status, 1); } close(fd); return 0;}
应用程序需要说明的是：
- 这个跟之前的Hello驱动也差不多，为了方便理解程序，把一些判断都删除了。
- strcmp字符串比较函数可以借鉴一下！
Makefile
KERN_DIR = /home/clay/linux/qemu/kernel/100ask_imx6ull-qemu/linux-4.9.88all: make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules $(CROSS_COMPILE)gcc -o ledtest ledtest.c clean: make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean rm -rf modules.order rm -f ledtest# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:# ab-y := a.o b.o# obj-m += ab.o# leddrv.c board_qemu.c 编译成 led.koled-y := leddrv.o board_qemu.oobj-m += led.o
Makefile需要说明的：
- 这一次把应用程序的编译一并加入了Makefile
- 注意这次驱动涉及多文件，最后两行的写法需要体会！
四、运行
4.1、qemu开发板
编译程序没有问题后，运行qemu虚拟开发板，并做好准备工作！将
- 拷贝led.ko和ledtest到NFS中
cp *.ko ledtest ~/linux/qemu/NFS/
- 在qemu终端，加载led.ko文件
insmod led.ko
- 在qemu终端，运行应用程序打开LED0
./ledtest /dev/led0 on
- 在qemu终端，运行应用程序关闭LED0
./ledtest /dev/led0 off
其余三盏灯，操作分别用led1 led2 led3即可，这里不再一一演示。
4.2、ATK-IMX6ULL开发板
需要注意的是，如果使用正点原子开发板点亮LED之前，要先关闭设备树中的自带LED，屏蔽内容如下图。
- 拷贝驱动,ko文件和应用程序文件到文件系统
cp -rf *.ko led ~/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/
- 接着，依次执行下面命令加载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
- 输入以下命令控制LED(GPIO1_IO03)
./led /dev/led1 on./led /dev/led1 off
- 卸载驱动模块
rmmod led.ko
嘻嘻，好长的一篇～
转载地址：http://lfnaf.baihongyu.com/
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