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第四十一章嵌入式Linux LED驱动开发实验
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。
41.1 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。
41.1.1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:

图41.1.1内存映射
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:
示例代码41.1.1 ioremap函数
1 #define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie),(size), MT_DEVICE)
2
3void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr,size_t size,unsignedint mtype)
4{
5return 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(GPIO1_GDIR_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:
示例代码41.1.2 iounmap函数原型
void iounmap (volatilevoid __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);
41.1.2 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。
1、读操作函数
读操作函数有如下几个:
示例代码41.1.2.1 读操作函数
1 u8 readb(constvolatilevoid __iomem *addr)
2 u16 readw(constvolatilevoid __iomem *addr)
3 u32 readl(constvolatilevoid __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:
示例代码41.1.2.2 写操作函数
1void writeb(u8 value,volatilevoid __iomem *addr)
2void writew(u16 value,volatilevoid __iomem *addr)
3void writel(u32 value,volatilevoid __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。
41.2 硬件原理图分析
本章实验硬件原理图参考8.3小节即可。
41.3 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。
41.3.1 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:
示例代码41.3.1.1 led.c驱动文件代码
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 : http://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 */
36staticvoid __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
37staticvoid __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
38staticvoid __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
39staticvoid __iomem *GPIO1_DR;
40staticvoid __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 */
47void led_switch(u8 sta)
48{
49 u32 val =0;
50if(sta == LEDON){
51 val = readl(GPIO1_DR);
52 val &=~(1<<3);
53 writel(val, GPIO1_DR);
54}elseif(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 */
68staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
69{
70return0;
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 */
81static ssize_t led_read(struct file *filp,char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
82{
83return0;
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 */
94static ssize_t led_write(struct file *filp,constchar __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
95{
96int retvalue;
97unsignedchar databuf[1];
98unsignedchar ledstat;
99
100 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
101if(retvalue <0){
102 printk("kernel write failed!rn");
103return-EFAULT;
104}
105
106 ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
107
108if(ledstat == LEDON){
109 led_switch(LEDON); /* 打开LED灯 */
110}elseif(ledstat == LEDOFF){
111 led_switch(LEDOFF); /* 关闭LED灯 */
112}
113return0;
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 */
121staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
122{
123return0;
124}
125
126/* 设备操作函数 */
127staticstruct 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 : 驱动出口函数
137 * @param : 无
138 * @return : 无
139 */
140staticint __init led_init(void)
141{
142int 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);
180if(retvalue <0){
181 printk("register chrdev failed!rn");
182return-EIO;
183}
184return0;
185}
186
187/*
188 * @description : 驱动出口函数
189 * @param : 无
190 * @return : 无
191 */
192staticvoid __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(0)的时候打开LED灯,sta为LEDOFF(1)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。
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。
41.3.2 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:
示例代码41.3.2.1 ledApp.c文件代码
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 : http://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 */
30int main(int argc,char*argv[])
31{
32 int fd, retvalue;
33 char*filename;
34 unsignedchar databuf[1];
35
36 if(argc !=3){
37 printf("Error Usage!rn");
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!rn", 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!rn");
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!rn", argv[1]);
63 return-1;
64 }
65 return0;
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。
41.4 运行测试
41.4.1 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:
示例代码41.4.1.1 Makefile文件
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。
41.4.2 运行测试
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:
rmmodled.ko