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 设备为例完成了第一个字符设备驱动开发。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。

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。

地址映射(ioremap映射、iounmap释放)

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(内存管理单元)。在老版本的Linux 中要求处理器必须有MMU，但是现在新版Linux 内核已经支持无MMU 的处理器了(STM32可以跑linux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。

重点关注第①点，也就是虚拟空间到物理空间的映射。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，这里我们不去深究，MMU是很复杂的一个东西。

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映射的虚拟地址空间，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

当外部寄存器或内存映射到虚拟内存空间时，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：

#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>
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名     : led.c
作者      : 左忠凯
版本      : V1.0
描述      : LED驱动文件。
其他      : 无
论坛      : www.openedv.com
日志      : 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************/
#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);//时钟寄存器SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);//复用寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);//电气属性寄存器GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);//方向GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);//高低电平/* 2、使能GPIO1时钟 */  //前面裸机的时候所有时钟CCM_CCGR1~6都打开了，这里就不用了val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);val &= ~(3 << 26);  /* 清除以前的设置 */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("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。

APP测试程序编写

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：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名     : ledApp.c
作者      : 左忠凯
版本      : V1.0
描述      : chrdevbase驱测试APP。
其他      : 无
使用方法     ：./ledtest /dev/led  0 关闭LED./ledtest /dev/led  1 打开LED
论坛      : www.openedv.com
日志      : 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************/#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;
}

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：

KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := led.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(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。

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

拷贝led.ko 和ledApp到指定目录

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【视频里使用nfs文件夹网络挂载】

加载led.ko 驱动模块到内核

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

创建应用层“/dev/led”设备节点

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

运行测试

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

其他：网络问题解决方法

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