嵌入式Linux开发17——LED驱动开发

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。

1.地址映射

在编写驱动之前，我们需要先简单了解一下 MMU，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。
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。
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：

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

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。
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。

2. 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。

2.1 读操作函数

读操作函数有以下几个：

u8 readb(const volatile void __iomem *addr)
u16 readw(const volatile void __iomem *addr)
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。

2.2 写操作函数

写操作函数有如下几个：

void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr)
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr)
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。

程序编写

我们要编写 Linux 下的 LED 灯驱动，可以通过应用程序对开发板上的LED 灯进行开关操作。
led.c

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>#define LED_MAJOR      200     /* 主设备号 */
#define LED_NAME        "led"     /* 设备名字 */#define LEDOFF    0               /* 关灯 */
#define LEDON   1               /* 开灯 *//* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE              (0X020C406C)
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE      (0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE      (0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE               (0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE             (0X0209C004)/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;/** @description       : LED打开/关闭* @param - sta   : LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED* @return           : 无*/
void led_switch(u8 sta)
{u32 val = 0;if(sta == LEDON) {val = readl(GPIO1_DR);val &= ~(1 << 3);   writel(val, GPIO1_DR);}else if(sta == LEDOFF) {val = readl(GPIO1_DR);val|= (1 << 3);  writel(val, GPIO1_DR);}
}/** @description      : 打开设备* @param - inode     : 传递给驱动的inode* @param - filp   : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量*                       一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return             : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}/** @description      : 从设备读取数据 * @param - filp  : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf    : 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt  : 要读取的数据长度* @param - offt  : 相对于文件首地址的偏移* @return             : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}/** @description      : 向设备写数据 * @param - filp   : 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf     : 要写给设备写入的数据* @param - cnt     : 要写入的数据长度* @param - offt  : 相对于文件首地址的偏移* @return             : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char ledstat;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if(retvalue < 0) {printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}ledstat = databuf[0];     /* 获取状态值 */if(ledstat == LEDON) { led_switch(LEDON);      /* 打开LED灯 */} else if(ledstat == LEDOFF) {led_switch(LEDOFF); /* 关闭LED灯 */}return 0;
}/** @description      : 关闭/释放设备* @param - filp   : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return             : 0 成功;其他 失败*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release =    led_release,
};/** @description : 驱动出口函数* @param       : 无* @return       : 无*/
static int __init led_init(void)
{int retvalue = 0;u32 val = 0;/* 初始化LED *//* 1、寄存器地址映射 */IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);/* 2、使能GPIO1时钟 */val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);val &= ~(3 << 26);   /* 清楚以前的设置 */val |= (3 << 26);   /* 设置新值 */writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为*    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。*/writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性*bit 16:0 HYS关闭*bit [15:14]: 00 默认下拉*bit [13]: 0 kepper功能*bit [12]: 1 pull/keeper使能*bit [11]: 0 关闭开路输出*bit [7:6]: 10 速度100Mhz*bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力*bit [0]: 0 低转换率*/writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */val = readl(GPIO1_GDIR);val &= ~(1 << 3);    /* 清除以前的设置 */val |= (1 << 3);    /* 设置为输出 */writel(val, GPIO1_GDIR);/* 5、默认关闭LED */val = readl(GPIO1_DR);val |= (1 << 3);    writel(val, GPIO1_DR);/* 6、注册字符设备驱动 */retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);if(retvalue < 0){printk("register chrdev failed!\r\n");return -EIO;}return 0;
}/** @description  : 驱动出口函数* @param       : 无* @return       : 无*/
static void __exit led_exit(void)
{/* 取消映射 */iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);iounmap(GPIO1_DR);iounmap(GPIO1_GDIR);/* 注销字符设备驱动 */unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("jiajia2020");

led_switch 函数，用于控制开发板上的 LED 灯亮灭，当参数 sta 为 LEDON(0) 的时候打开 LED 灯， sta 为 LEDOFF(1)的时候关闭 LED 灯。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。驱动入口函数led_init，此函数实现了 LED 的初始化工作，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。比如是能 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。
然后是驱动出口函数 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。最后，使用 module_init 和 module_exit 这两个函数指定 led 设备驱动加载和卸载
函数并添加 LICENSE 和作者信息。
ledApp.c
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。

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"#define LEDOFF     0
#define LEDON   1/** @description      : main主程序* @param - argc   : argv数组元素个数* @param - argv    : 具体参数* @return            : 0 成功;其他 失败*/
int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;unsigned char databuf[1];if(argc != 3){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];/* 打开led驱动 */fd = open(filename, O_RDWR);if(fd < 0){printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);return -1;}databuf[0] = atoi(argv[2]);  /* 要执行的操作：打开或关闭 *//* 向/dev/led文件写入数据 */retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));if(retvalue < 0){printf("LED Control Failed!\r\n");close(fd);return -1;}retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */if(retvalue < 0){printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);return -1;}return 0;
}

最终编译驱动程序和APP，而后加载驱动，创建设备节点，最后使用ledApp软件来测试驱动是否正常。至此，我们LED驱动程序编写完成。