【正点原子Linux连载】第四十一章嵌入式Linux LED驱动开发实验--摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.0

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第四十一章嵌入式LinuxLED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. 
   
3. void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr,size_t size,unsignedint mtype)
   
4. {
   
5. return arch_ioremap_caller(phys_addr, size, mtype,
   
6. __builtin_return_address(0));
   
7. }

复制代码

    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：

1. #define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE            (0X020E0068)
   
2. static void __iomem*  SW_MUX_GPIO1_IO03;
   
3. SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);

复制代码

       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

1. void iounmap (volatilevoid __iomem *addr)
   
2.        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：
   
3. iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);

复制代码

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)

复制代码

    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

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

复制代码

    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. Allrights 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V1.02019/1/30 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. staticvoid __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
    
37. staticvoid __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
    
38. staticvoid __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
    
39. staticvoid __iomem *GPIO1_DR;
    
40. staticvoid __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. }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.    */
    
68. staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
    
69. {
    
70. return0;
    
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,
    
82. size_t cnt, loff_t *offt)
    
83. {
    
84. return0;
    
85. }
    
86. 
    
87. /*
    
88.    * @description   : 向设备写数据
    
89.    * @param - filp  : 设备文件，表示打开的文件描述符
    
90.    * @param - buf   : 要写给设备写入的数据
    
91.    * @param - cnt   : 要写入的数据长度
    
92.    * @param - offt  : 相对于文件首地址的偏移
    
93.    * @return          :写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
    
94.    */
    
95. static ssize_t led_write(struct file *filp,constchar __user *buf,
    
96. size_t cnt, loff_t *offt)
    
97. {
    
98. int retvalue;
    
99. unsignedchar databuf[1];
    
100. unsignedchar ledstat;
     
101. 
     
102.      retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
     
103. if(retvalue <0){
     
104.          printk("kernel write failed!\r\n");
     
105. return-EFAULT;
     
106. }
     
107. 
     
108.      ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值   */
     
109. 
     
110. if(ledstat == LEDON){
     
111.          led_switch(LEDON); /* 打开LED灯   */
     
112. }elseif(ledstat == LEDOFF){
     
113.          led_switch(LEDOFF);      /* 关闭LED灯   */
     
114. }
     
115. return0;
     
116. }
     
117. 
     
118. /*
     
119.   * @description   : 关闭/释放设备
     
120.   * @param – filp  : 要关闭的设备文件(文件描述符)
     
121.   * @return         :0 成功;其他失败
     
122.   */
     
123. staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
     
124. {
     
125. return0;
     
126. }
     
127. 
     
128. /* 设备操作函数 */
     
129. staticstruct file_operations led_fops ={
     
130. .owner = THIS_MODULE,
     
131. .open = led_open,
     
132. .read = led_read,
     
133. .write = led_write,
     
134. .release =  led_release,
     
135. };
     
136. 
     
137. /*
     
138.   * @description   : 驱动出口函数
     
139.   * @param         : 无
     
140.   * @return        : 无
     
141.   */
     
142. staticint __init led_init(void)
     
143. {
     
144. int retvalue =0;
     
145.      u32 val =0;
     
146. 
     
147. /* 初始化LED */
     
148. /* 1、寄存器地址映射 */
     
149.      IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE,4);
     
150.      SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE,4);
     
151.      SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE,4);
     
152.      GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE,4);
     
153.      GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE,4);
     
154. 
     
155. /* 2、使能GPIO1时钟 */
     
156.      val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
     
157.      val &=~(3<<26);/* 清除以前的设置 */
     
158.      val |=(3<<26);/* 设置新值 */
     
159.      writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);
     
160. 
     
161. /* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
     
162.       *   GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
     
163.       */
     
164.      writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
     
165. 
     
166. /* 寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性 */
     
167.      writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
     
168. 
     
169. /* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
     
170.      val = readl(GPIO1_GDIR);
     
171.      val &=~(1<<3);/* 清除以前的设置 */
     
172.      val |=(1<<3);/* 设置为输出 */
     
173.      writel(val, GPIO1_GDIR);
     
174. 
     
175. /* 5、默认关闭LED */
     
176.      val = readl(GPIO1_DR);
     
177.      val |=(1<<3);
     
178.      writel(val, GPIO1_DR);
     
179. 
     
180. /* 6、注册字符设备驱动 */
     
181.      retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME,&led_fops);
     
182. if(retvalue <0){
     
183.          printk("register chrdev failed!\r\n");
     
184. return-EIO;
     
185. }
     
186. return0;
     
187. }
     
188. 
     
189. /*
     
190.   * @description   : 驱动出口函数
     
191.   * @param         : 无
     
192.   * @return        : 无
     
193.   */
     
194. staticvoid __exit led_exit(void)
     
195. {
     
196. /* 取消映射 */
     
197.      iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
     
198.      iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);         
     
199.      iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
     
200.      iounmap(GPIO1_DR);
     
201.      iounmap(GPIO1_GDIR);
     
202. 
     
203. /* 注销字符设备驱动 */
     
204.      unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
     
205. }
     
206. 
     
207. module_init(led_init);
     
208. module_exit(led_exit);
     
209. MODULE_LICENSE("GPL");
     
210. MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

复制代码

    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. Allrights 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V1.02019/1/30 左忠凯创建
    
19. ***************************************************************/
    
20. 
    
21. #defineLEDOFF   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.   unsignedchar 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.   return0;
    
66. }

复制代码

    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
   
2. ......
   
3. obj-m := led.o
   
4. ......
   
5. clean:
   
6. $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

复制代码

    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：

1. make-j32

复制代码

       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：

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

复制代码

       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：

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

复制代码

       驱动加载成功以后创建“/dev/led”设备节点，命令如下：

1. mknod /dev/led c 200 0

复制代码

       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：

1. ./ledApp /dev/led 1        //打开LED灯

复制代码

       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：

1. ./ledApp /dev/led 0        //关闭LED灯

复制代码

       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

又见124

你好，按照这章的驱动编写，在初始化时映射完IO后，通过readl读取映射完IO的内容，打印出来的值是很大的负数，导致后面控制led的时候读取的出来的值，和写入的值都是负数，无法控制led。这是为什么呢？