【正点原子FPGA连载】第二十六章 Linux蜂鸣器驱动实验--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之Linux开发指南_V1.3

正点原子运营 · 发表于 2020-12-23 15:29:30

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第二十六章Linux蜂鸣器驱动实验

上一章实验中我们借助gpio子系统编写了LED灯驱动，领航者开发板上还有一个蜂鸣器，从软件的角度考虑，蜂鸣器驱动和LED灯驱动其实是一摸一样的，都是控制IO输出高低电平。本章我们就来学习编写蜂鸣器的Linux驱动，也算是对上一章讲解的gpio子系统的巩固。

1.1 有源蜂鸣器简介

蜂鸣器常用于计算机、打印机、报警器、电子玩具等电子产品中，常用的蜂鸣器有两种：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，这里的有“源”不是电源，而是震荡源，有源蜂鸣器内部带有震荡源，所以有源蜂鸣器只要通电就会叫。无源蜂鸣器内部不带震荡源，直接用直流电是驱动不起来的，需要2K-5K的方波去驱动。领航者开发板使用的是有源蜂鸣器，因此只要给其供电就会工作，开发板所使用的有源蜂鸣器如下图所示：

图 24.1.1 有源蜂鸣器

有源蜂鸣器只要通电就会叫，所以我们可以做一个供电电路，这个供电电路可以由一个IO来控制其通断，一般使用三极管来搭建这个电路。为什么我们不能像控制LED灯一样，直接将GPIO接到蜂鸣器的负极，通过IO输出高低来控制蜂鸣器的通断。因为蜂鸣器工作的电流比LED灯要大，直接将蜂鸣器接到开发板的GPIO上有可能会烧毁IO，所以我们需要通过一个三极管来间接的控制蜂鸣器的通断，相当于加了一层隔离。本章我们就驱动开发板上的有源蜂鸣器，使其周期性的“滴、滴、滴…..”鸣叫。

本节我们来看一下如果在Linux下编写蜂鸣器驱动需要做哪些工作：

① 在设备树中创建蜂鸣器节点beeper；

② 在蜂鸣器节点beeper中指定gpio；

③ 编写驱动程序和测试APP，和第二十七章的LED驱动程序和测试APP基本一样。

接下来我们就根据上面这三步来编写蜂鸣器Linux驱动程序。

1.2 硬件原理图分析

打开领航者底板原理图文件，找到蜂鸣器电路原理图，如下所示：

图 24.2.1 蜂鸣器原理图

图 39.2.1中通过一个NPN型的三极管S8050来驱动蜂鸣器，通过BEEP这个IO来控制三极管Q1的导通，当BEEP输出高电平的时候Q1导通，相当于蜂鸣器的负极连接到GND，蜂鸣器形成一个通路，因此蜂鸣器会鸣叫。同理，当BEEP输出低电平的时候Q1不导通，那么蜂鸣器就没有形成一个通路，因此蜂鸣器也就不会鸣叫。

在原理图中搜索“BEEP”标号，可知BEEP连接到了ZYNQ的G18引脚，如下所示：

图24.2.2 BEEP管脚

G18并不是MIO引脚，而是PL端的IO引脚，但是PS可以通过EMIO来连接PL端引脚，关于MIO和EMIO的详细内容请大家阅读《领航者ZYNQ之嵌入式开发指南》的第二和第三章的内容，这里就不给大家做过多的介绍。

本篇驱动开发篇使用的hdf文件对应的vivado工程，是笔者配置的，使能了EMIO，并将G18引脚绑定到了EMIO，如下所示：

图24.2.3 EMIO连接G18引脚

所以由上面可以知道，G18连接到了EMIO的第7个引脚emio[6]，由于EMIO对应的GPIO起始编号是从54开始的，所以由此可知emio[6]对应的就是GPIO 60（54+ 6），关于MIO和EMIO编号的问题在《领航者ZYNQ之嵌入式开发指南》的第二和第三章有详细的说明。

所以目标很明确了，蜂鸣器就是通过GPIO60控制的，那么在我们的驱动代码当中就是对GPIO 60进行控制从而控制蜂鸣器鸣叫和关闭！

1.3 实验程序编写

本实验对应的例程路径为：ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7010\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\6_beeper。

本章也是直接在前面的实验当中进行修改。

1.3.1 修改设备树文件

打开system-top.dts文件，在根节点“/”下创建一个名为beeper的节点，节点内容如下：

示例代码28.3.1.1 system-top.dts蜂鸣器节点beeper

beeper {
compatible = "alientek,beeper";
status = "okay";
default-state= "off";
beeper-gpio = <&gpio060 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};

复制代码

第43行，设置beeper节点的compatible属性为“alientek,beeper”，我们在驱动代码中会区匹配这个属性的值。

第45行，将default-state属性的值设置为“off”，我们在代码中会根据default-state属性的值来设置蜂鸣器的初始化状态。

第46行，beeper-gpio属性指定所需的GPIO。

设备树编写完成以后使用下面这条命令重新编译设备树，如下所示：

图24.3.1 重新编译设备树

将编译出来的system-top.dtb文件重命名为system.dtb，然后将system.dtb文件拷贝到开发板SD启动卡的FAT分区，替换旧的dtb文件。替换成功之后重新启动成功开发板，以后进入“/proc/device-tree”目录中查看“beeper”节点是否存在，如果存在的话就说明设备树基本修改成功(具体还要驱动验证)，结果如下图所示：

图 24.3.2 beeper节点

1.3.2 蜂鸣器驱动程序编写

设备树准备好以后就可以编写驱动程序了，在我们的drivers目录下新建名为“6_beeper”的文件夹，然后在6_beeper文件中新建beeper.c文件，在beeper.c里面输入如下内容：

示例代码28.3.2.1 beeper.c文件内容

/***************************************************************
Copyright ? ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名 : beeper.c
作者 : 邓涛
版本 : V1.0
描述 : 领航者开发板蜂鸣器驱动文件。
其他 : 无
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版V1.0 2019/1/30 邓涛创建
***************************************************************/
#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>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#defineBEEPER_CNT 1 /* 设备号个数 */
#defineBEEPER_NAME "beeper" /* 名字 */
/*dtsled设备结构体 */
structbeeper_dev {
dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
struct device_node *nd; /* 设备节点 */
int gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
};
static structbeeper_dev beeper; /* led设备 */
/*
*@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 intbeeper_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
*/
staticssize_t beeper_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
*/
staticssize_t beeper_write(struct file*filp, const char__user *buf,
size_t cnt,loff_t *offt)
{
int ret;
char kern_buf[1];
ret = copy_from_user(kern_buf, buf, cnt); // 得到应用层传递过来的数据
if(0 > ret) {
printk(KERN_ERR"kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
if (0 ==kern_buf[0])
gpio_set_value(beeper.gpio, 0); // 如果传递过来的数据是0则关闭led
else if (1 ==kern_buf[0])
gpio_set_value(beeper.gpio, 1); // 如果传递过来的数据是1则点亮led
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 intbeeper_release(struct inode *inode, struct file*filp)
{
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static structfile_operations beeper_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open =beeper_open,
.read =beeper_read,
.write = beeper_write,
.release= beeper_release,
};
static int__init beeper_init(void)
{
const char *str;
int ret;
/* 1.获取beeper设备节点 */
beeper.nd =of_find_node_by_path("/beeper");
if(NULL ==beeper.nd) {
printk(KERN_ERR"beeper: Failed to get beeper node\n");
return -EINVAL;
}
/* 2.读取status属性 */
ret =of_property_read_string(beeper.nd, "status", &str);
if(!ret) {
if (strcmp(str, "okay"))
return -EINVAL;
}
/* 2、获取compatible属性值并进行匹配 */
ret =of_property_read_string(beeper.nd, "compatible", &str);
if(0 > ret) {
printk(KERN_ERR"beeper: Failed to get compatible property\n");
return ret;
}
if (strcmp(str, "alientek,beeper")) {
printk(KERN_ERR"beeper: Compatible match failed\n");
return -EINVAL;
}
printk(KERN_INFO"beeper: device matching successful!\r\n");
/* 4.获取设备树中的beeper-gpio属性，得到蜂鸣器所使用的GPIO编号 */
beeper.gpio =of_get_named_gpio(beeper.nd, "beeper-gpio", 0);
if(!gpio_is_valid(beeper.gpio)) {
printk(KERN_ERR"beeper: Failed to get beeper-gpio\n");
return -EINVAL;
}
printk(KERN_INFO"beeper: beeper-gpio num = %d\r\n",beeper.gpio);
/* 5.向gpio子系统申请使用GPIO*/
ret =gpio_request(beeper.gpio, "Beepergpio");
if (ret) {
printk(KERN_ERR"beeper: Failed to request gpio num %d\n",beeper.gpio);
return ret;
}
/* 6.将gpio管脚设置为输出模式 */
gpio_direction_output(beeper.gpio, 0);
/* 7.设置蜂鸣器的初始状态 */
ret =of_property_read_string(beeper.nd, "default-state", &str);
if(!ret) {
if (!strcmp(str, "on"))
gpio_set_value(beeper.gpio, 1);
else
gpio_set_value(beeper.gpio, 0);
} else
gpio_set_value(beeper.gpio, 0);
/* 8.注册字符设备驱动 */
/* 创建设备号 */
if (beeper.major) {
beeper.devid= MKDEV(beeper.major, 0);
ret =register_chrdev_region(beeper.devid,BEEPER_CNT, BEEPER_NAME);
if (ret)
goto out1;
} else {
ret =alloc_chrdev_region(&beeper.devid, 0,BEEPER_CNT, BEEPER_NAME);
if (ret)
goto out1;
beeper.major= MAJOR(beeper.devid);
beeper.minor= MINOR(beeper.devid);
}
printk("beeper:major=%d,minor=%d\r\n", beeper.major,beeper.minor);
/* 初始化cdev */
beeper.cdev.owner= THIS_MODULE;
cdev_init(&beeper.cdev, &beeper_fops);
/* 添加一个cdev */
ret =cdev_add(&beeper.cdev,beeper.devid, BEEPER_CNT);
if (ret)
goto out2;
/* 创建类 */
beeper.class= class_create(THIS_MODULE,BEEPER_NAME);
if (IS_ERR(beeper.class)) {
ret =PTR_ERR(beeper.class);
goto out3;
}
/* 创建设备 */
beeper.device= device_create(beeper.class, NULL,
beeper.devid, NULL,BEEPER_NAME);
if (IS_ERR(beeper.device)) {
ret =PTR_ERR(beeper.device);
goto out4;
}
return 0;
out4:
class_destroy(beeper.class);
out3:
cdev_del(&beeper.cdev);
out2:
unregister_chrdev_region(beeper.devid,BEEPER_CNT);
out1:
gpio_free(beeper.gpio);
return ret;
}
static void__exit beeper_exit(void)
{
/* 注销设备 */
device_destroy(beeper.class,beeper.devid);
/* 注销类 */
class_destroy(beeper.class);
/* 删除cdev */
cdev_del(&beeper.cdev);
/* 注销设备号 */
unregister_chrdev_region(beeper.devid,BEEPER_CNT);
/* 释放GPIO */
gpio_free(beeper.gpio);
}
/* 驱动模块入口和出口函数注册 */
module_init(beeper_init);
module_exit(beeper_exit);
MODULE_AUTHOR("DengTao<773904075@qq.com>");
MODULE_DESCRIPTION("AlientekZYNQ GPIO Beeper Driver");
MODULE_LICENSE("GPL");

复制代码

beep.c中的内容和上一章的gpioled.c中的内容基本一样，基本上就是改了下命名。

1.3.3 编写测试APP

测试APP程序直接将上一章工程目录下的ledApp.c文件拷贝到当前实验目录，将其重命名为beeperApp.c即可。

1.4 运行测试1.4.1 编译驱动程序和测试APP

1、编译驱动程序

编写Makefile文件，直接将上一章实验目录下的Makefile文件拷贝到本实验目录，修改Makefile文件，将obj-m变量的值改为beeper.o，修改完成之后Makefile内容如下所示：

示例代码28.4.1.1 Makefile文件内容

KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
obj-m :=beeper.o
all:
make ARCH=armCROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd`modules
clean:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd`clean

复制代码

第3行，设置obj-m变量的值为beeper.o。

修改完成之后保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件：

make

编译成功以后就会生成一个名为“beeper.ko”的驱动模块文件。

2、编译测试APP

输入如下命令编译测试beeperApp.c这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc beeperApp.c -o beeperApp

复制代码

编译成功以后就会生成beeperApp这个应用程序，最终在本章实验实验目录下有如下文件：

图24.4.1 本章实验目录下的文件

1.4.2 运行测试

将上一小节编译出来的beeper.ko和beeperApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中，然后重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx目录，输入如下命令加载beeper.ko驱动模块：

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

复制代码

驱动加载成功以后会在终端中输出一些信息，如下图所示：

图 24.4.2 加载beeper.ko驱动模块

从图 39.4.2中可以看出，在内核驱动中获取到的GPIO0_60的编号为963，使用beeperApp软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令打开蜂鸣器：

./beeperApp /dev/beeper 1 //打开蜂鸣器

复制代码

执行上述命令之后，开发板的蜂鸣器是会鸣叫的，如果鸣叫的话说明驱动工作正常。在输入如下命令关闭蜂鸣器：

./beeperApp /dev/beeper 0 //关闭蜂鸣器

复制代码

执行上述命令后，开发板的蜂鸣器会停止鸣叫。如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod beep.ko

复制代码

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