2| LED灯驱动开发实验记录

LED灯驱动开发实验记录

一、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，因此本实验的重点就是编写 Linux 下 I.MX6UL 引脚控制驱动。

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 MemoryManage 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，如图所示：

image-20200820154115074

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，后续有时间的话可以再参考正点原子 Linux 团队打算做的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。

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。

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。

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);

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：

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 、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。

二、硬件原理图

image-20200820172059339

三、实验程序编写

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/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>


#define LED_MAJOR 200
#define LED_NAME "led_driver"

// #define LED_ON 	1
// #define LED_OFF 0
typedef enum led_switch_enum{
	LED_OFF = 0,
	LED_ON = !LED_OFF
}led_switch_t;

/* 寄存器物理地址 */
#define PA_CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)
#define PA_SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E0068)
#define PA_SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E02F4)
#define PA_GPIO1_DR_BASE 				(0X0209C000)
#define PA_GPIO1_GDIR_BASE 				(0X0209C004)

/* 寄存器虚拟地址 */
static void __iomem *VA_CCM_CCGR1;
static void __iomem *VA_SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *VA_SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *VA_GPIO1_DR;
static void __iomem *VA_GPIO1_GDIR;


static void led_switch(led_switch_t sw)
{
	int val = 0;
	if(sw == LED_ON)
	{
		/* 设置GPIO电平为低电平 默认点亮LED */
		val = readl(VA_GPIO1_DR);
		val &= ~(1 << 3);
		writel(val, VA_GPIO1_DR);
	}
	else
	{
		/* 设置GPIO电平为高电平 关闭LED */
		val = readl(VA_GPIO1_DR);
		val |= (1 << 3);
		writel(val, VA_GPIO1_DR);
	}
}


static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    if(cnt > 1)
    {
		printk("write led failed!\r\nwrite conut exceed limit,should be 1.\r\n");
		return -1;
    }
	char userDataBuf[1];
	int ret = 0;
	ret = copy_from_user(userDataBuf, buf, cnt);
	if(ret < 0)
	{
		printk("write led failed!\r\n");
		return -1;
	}
	led_switch(userDataBuf[0]);
	return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{

	return 0;
}

/* 字符设备操作集 */
const static struct file_operations led_fops = {
	.owner = THIS_MODULE, 
	.open = led_open, 
	.write = led_write,
	.release = led_release
};



/* 入口 */
static int __init led_init(void)
{
	int ret = 0;
	unsigned int val;
	printk("led_init\r\n");

	/* LED 初始化 地址映射 */
	VA_CCM_CCGR1 = ioremap(PA_CCM_CCGR1_BASE, 4);
	VA_SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(PA_SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	VA_SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(PA_SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	VA_GPIO1_DR = ioremap(PA_GPIO1_DR_BASE, 4);
	VA_GPIO1_GDIR = ioremap(PA_GPIO1_GDIR_BASE, 4);

	/* 使能 GPIO1 时钟 */
	val = readl(VA_CCM_CCGR1);
	val &=  ~(3 << 26);
	val |= (3 << 26);
	writel(val, VA_CCM_CCGR1);

	writel(0x5, VA_SW_MUX_GPIO1_IO03);		/* 设置复用 */
	writel(0x10B0, VA_SW_PAD_GPIO1_IO03);	/* 设置电气属性 */

	/* 设置GPIO方向为输出*/
	val = readl(VA_GPIO1_GDIR);
	val |= (1 << 3);
	writel(val, VA_GPIO1_GDIR);

	/* 设置GPIO电平为低电平 默认点亮LED */
	val = readl(VA_GPIO1_DR);
	val &= ~(1 << 3);
	writel(val, VA_GPIO1_DR);


	/* 注册字符设备 */
	ret = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
	if(ret < 0){
		printk("register %s failed!\r\n", LED_NAME);
		return -EIO;
	}
	
	return 0;
}


/* 出口 */
static void __exit led_exit(void)
{
	unsigned int val;
	printk("led_exit\r\n");

	/* 设置GPIO电平为高电平 关闭LED */
	val = readl(VA_GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);
	writel(val, VA_GPIO1_DR);

	/* 地址映射释放 */
	iounmap(VA_CCM_CCGR1);
	iounmap(VA_SW_MUX_GPIO1_IO03);
	iounmap(VA_SW_PAD_GPIO1_IO03);
	iounmap(VA_GPIO1_DR);
	iounmap(VA_GPIO1_GDIR);

	/* 卸载字符设备 */
	unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}
/* 驱动入口和出口 */
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("LXG@firestaradmin");

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：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

/*
 *  usage:
 *  ./ledAPP     <openFileName>     <0:OFF|1:ON>   
 *  ./ledAPP     /dev/led           0               //关灯
 *  ./ledAPP     /dev/led           1               //开灯
 */
int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret = 0;
    int fd = 0;
    char *filename;
    char writebuf [1]; 
    filename = argv[1];

    if(argc != 3)
    {
        printf("bad usage!\r\n");
        printf("usage:\r\n./ledAPP     <openFileName>     <0:OFF|1:ON>  \r\n");
        return -1;
    }

    /* 打开 */
    fd =  open(filename, O_WRONLY);
    if(fd < 0){
        printf("can't open file %s\r\n", filename);
        return -1;
    }

    writebuf[0] = atoi(argv[2]);
    ret = write(fd, writebuf, sizeof(writebuf));
    if(ret < 0){
        printf("write file %s failed!\r\n", filename);
        close(fd);
        return -1;
    }
    else {
        printf("write file %s success!\r\n", filename);
    }

    /* 关闭 */
    ret = close(fd);
    if(ret < 0){
        printf("close file %s failed！\r\n", filename);
    }
}

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。

四、运行测试

1、编译驱动程序和测试 APP

编译驱动程序

编写 Makefile 文件，本章实验的 Makefile 文件和前面实验基本一样，只是将 obj-m 变量的值改为 led.o，Makefile 内容如下所示：

KERNEL_DIR := /home/firestaradmin/linux/IMX6U/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_lxg
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := led.o

build: kernel_modules

kernel_modules:  
	$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean: 
	$(MAKE) -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

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。

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：

rmmod led.ko