「正点原子Linux连载」第四十一章嵌入式LinuxLED驱动开发实验

2020-3-18 15:09:39 1342

0 本帖最后由正点原子运营官于 2020-3-19 18:01 编辑 1）实验平台：正点原子Linux开发板 2）摘自《正点原子I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子第四十一章嵌入式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 : 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 : 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,charargv[]) 31{ 32 int fd, retvalue; 33 charfilename; 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APP1、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 0
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