Linux驱动开发-04LED灯驱动实验（直接操作寄存器）

news2024/11/23 21:18:02

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。驱动访问底层的硬件除了使用内存映射将物理地址空间转化为虚拟地址空间，去进行读写修改，还可以通过各种子系统函数去进行操作

1.1 地址映射

MMU 全称叫做Memory Manage Unit，也就是内存管理单元；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。

        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。

1.2 I/O内存访问函数

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
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
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。*/

1.3 电路原理图

可以知道GPIO1_3的端口连接着led，我们还查看了数据手册和开发板，只有GPIO1组的几个端口是没有复用的，我们在开发板上可以直接使用

二、实战之驱动文件的编写

2.1 搭建相关的开发环境

（1）创建2_led驱动文件夹

（2）将1_chrdevbase的文件复制并重命名

//mv命令进行文件移动
mv [选项]... 源文件或目录... 目标文件或目录
//mv命令修改文件名
mv oldname.txt newname.txt

（3）使用vscode打开2_led驱动文件夹，并保存工作区

 （4）.vscode文件也进行复制

 cp ./1_chrdevbase/.vscode/ ./2_led/ -rf

 2.2 查看数据手册

/*时钟GPIO1_IO03相关寄存器地址定义*/
/* 
 * CCM相关寄存器地址 
 */
#define CCM_CCGR0 			*((volatile unsigned int *)0X020C4068)
#define CCM_CCGR1 			*((volatile unsigned int *)0X020C406C)

#define CCM_CCGR2 			*((volatile unsigned int *)0X020C4070)
#define CCM_CCGR3 			*((volatile unsigned int *)0X020C4074)
#define CCM_CCGR4 			*((volatile unsigned int *)0X020C4078)
#define CCM_CCGR5 			*((volatile unsigned int *)0X020C407C)
#define CCM_CCGR6 			*((volatile unsigned int *)0X020C4080)

/* 
 * IOMUX相关寄存器地址 
 */
#define SW_MUX_GPIO1_IO03 	*((volatile unsigned int *)0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03 	*((volatile unsigned int *)0X020E02F4)

/* 
 * GPIO1相关寄存器地址 
 */
#define GPIO1_DR 			*((volatile unsigned int *)0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR 			*((volatile unsigned int *)0X0209C004)
#define GPIO1_PSR 			*((volatile unsigned int *)0X0209C008)
#define GPIO1_ICR1 			*((volatile unsigned int *)0X0209C00C)
#define GPIO1_ICR2 			*((volatile unsigned int *)0X0209C010)
#define GPIO1_IMR 			*((volatile unsigned int *)0X0209C014)
#define GPIO1_ISR 			*((volatile unsigned int *)0X0209C018)
#define GPIO1_EDGE_SEL 		*((volatile unsigned int *)0X0209C01C)

 2.3 代码

led.c

#include <linux/init.h> //包含宏定义的头文件(printk的头文件)
#include <linux/module.h> //包含初始化加载模块的头文件
#include <linux/fs.h>//注册设备和注销设备的头文件
#include<linux/kernel.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/types.h>
#include <asm/io.h>//地址映射需要的头文件
/*
GPIO的初始化：
1.初始化GPIO的时钟
2.初始化IO复用
3.配置GPIO1_IO03的IO属性(速度、输出模式等)
4.初始化GPIO
5.设置输出的电平
*/

/*寄存器物理地址*/
#define CCM_CCGR1_BASE  (0X020C406C)
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE 	(0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE 	(0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE 			(0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE 		(0X0209C004)
/* 映射后的寄存器虚拟地址指针,类型为__iomem指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

#define LED_MAJOR 200
#define LED_NAME "led"

#define LEDOFF 0//关灯
#define LEDON  1//开灯

static void led_switch(u8 sta){
    u32 val=0;
    if(sta == LEDON) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val &= ~(1 << 3);	/*bit 3清零，打开led灯*/
		writel(val, GPIO1_DR);
	}else if(sta == LEDOFF) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val|= (1 << 3);	/*bit 3清零，关闭led灯*/
		writel(val, GPIO1_DR);
	}
}

static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos){
    /*这里的write需要接受来自应用程序的控制指令*/
    int retvalue;
	unsigned char databuf[1];

	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, count);
	if(retvalue < 0) {
		printk("kernel write failed!\r\n");
		return -EFAULT;
	}

	led_switch(databuf[0]);	/* 判断是开灯还是关灯 */
    return 0;
}
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    return 0;
}
static int led_close(struct inode *inode, struct file *filp){
    return 0;
}
/*字符设备操作集合*/
static const struct file_operations  led_fops={
	.owner	= THIS_MODULE,
	.write	= led_write,
	.open	= led_open,
	.release= led_close,
};
/*入口*/
static int __init led_init(void){
    int ret=0;//变量的声明需要放在代码的最前面才不会有警告
    unsigned int  val = 0;
    /*初始化LED*/
    /* 1、寄存器地址映射 */
    IMX6U_CCM_CCGR1=ioremap(CCM_CCGR1_BASE,4);
    SW_MUX_GPIO1_IO03=ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE,4);
    SW_PAD_GPIO1_IO03=ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE ,4);
    GPIO1_DR=ioremap(GPIO1_DR_BASE,4);
    GPIO1_GDIR=ioremap(GPIO1_GDIR_BASE,4);
	/* 2、使能GPIO1时钟 */
	val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
	val &= ~(3 << 26);	/* 清楚以前的设置 */
	val |= (3 << 26);	/* 设置新值 */
	writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
	 *    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
	 */
	writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
	
	/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性
	 *bit 16:0 HYS关闭
	 *bit [15:14]: 00 默认下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 关闭开路输出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
	 */
	writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);

	/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
	val = readl(GPIO1_GDIR);
	val &= ~(1 << 3);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (1 << 3);	/* 设置为输出 */
	writel(val, GPIO1_GDIR);

	/* 5、默认关闭LED */
	val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);

    /*1.注册字符设备*/
    ret=register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME,&led_fops);
    if (ret<0)
    {
        printk("register chrdev failed\r\n");
        return -EIO;/* I/O error */
    }
    
    printk("led_init\r\n");
    return 0;
}
/*出口*/
static void __exit led_exit(void){//_exit这个只是一个修饰符

    unsigned int  val = 0;
    val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);

    /*取消地址映射*/
    iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
    iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
    iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03 );
    iounmap(GPIO1_DR);
    iounmap(GPIO1_GDIR);


    /*注销字符设备*/
    unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
    printk("led_exit\r\n");
}

/*驱动注册加载和卸载*/
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Chao");

 ledAPP.c

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

/*
/dev/chardevbase：驱动最终表现就是/dev/xxx文件，对文件的读写、打开关闭
argc:应用程序参数
argv[]:具体的参数内容，是以字符串形式
./chrdevbaseAPP  <filename>  <1:2>
./chrdevbaseAPP /dev/led 0    关灯
./chrdevbaseAPP /dev/led 1    开灯
*/

int main(int argc,char*argv[]){
    int fd=0;
    int ret=0;
    char*filename;
    unsigned char databuf[1];

    if (argc!=3)
    {
        printf("Error Usage\r\n");
        return -1;
    }
    
    filename=argv[1];
    fd=open(filename,O_RDWR);
    if (fd<0)
    {
        printf("file %s open failed\r\n",filename);
        return -1;
    }
    databuf[0]=atoi(argv[2]);//将字符转化为数字
    ret = write(fd,databuf,sizeof(databuf));
    if (ret<0)
    {
        printf("LED Control Failed!\r\n");
        close(fd);
        return -1;
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

 2.4 实验结果

（1）装载驱动和手动注册设备节点

 （2）输入指令测试结果

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