Linux PWM 开发指南

1 概述

1.1 编写目的

介绍 PWM 模块的详细设计方便相关人员进行 PWM 模块的代码设计开发。

1.2 使用范围

适用于 Linux-3.10，linux-4.4 和 Linux-4.9 内核，Linux-5.4 内核。

1.3 相关人员

PWM 驱动的开发人员/维护人员等

2 术语及概念

2.1 术语定义及缩略语

术语	解释说明
Sunxi	指 Allwinner 的一系列 SOC 硬件平台
频率	PWM 的频率决定了所模拟电平的平滑度（逼真度），人耳感知的频率范围为 20Hz-16Khz，注意 PWM 的频率不要落在这个区间
占空比	决定了一个周期内 PWM 信号高低的比例，进而决定了一个周期内的平均电压，也就是所模拟的电平的电压
极性	决定了是高占空比的信号输出电平高，还是低占空比信号输出电平高。假设一个信号的占空比为 100%，如果为正常极性，则输出电平最大，如果为翻转的极性，则输出电平为 0
开关	控制 PWM 信号是否输出
PWM对	电机等硬件需要两路脉冲信号来控制其正常运转，一般两路极性相关，频率，占空比参数相同的 PWM 构成一个 PWM 对
PWM死区控制时间	大功率电机，变频器等由大功率管，IGBT 等元件组成 H 桥或 3 相桥，每个桥的上半桥和下半桥是绝对不能导通的，在 PWM 信号驱动这些元件时，往往会由于没有延迟而造成未关断某路半桥，这样会造成功率元件的损坏，在 PWM 中加入死区时间的控制即是让上半桥关断后，自动插入一个事件，延迟后再打开下半桥

2.2 概念阐述

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
1. PWM 模块属于 PWM 子系统，会调用 PWM 子系统的相关接口（详情可以查看 PWM 子系统知识）

3 模块描述

3.1 模块功能

图 3-1: 模块功能

不同平台上拥有不同个数的 PWM 通道，其中两个为一个 PWM 对（平台通道数不相同，PWM 对也就不相同，具体细节可以查看对应方案的 spec）。其中 PWM 具有以下特点：

• 支持脉冲，周期和互补对输出 • 支出捕捉输入

• 带可编程死区发生器，死区时间可控

• 0-24M/100M 输出频率范围。0%-100% 占空比可调，最小分辨率 1/65536

• 支持 PWM 输出和捕捉输入产生中断

3.2 模块位置

PWM 模块属于硬件驱动层，直接与硬件通信

3.3 模块配置

3.3.1 linux-4.9

在 linux-4.9 中, 在命令行中进入内核根目录，执行 make ARCH=arm(arm64) menuconfig 进入配置主界面，并按以下步骤操作：

首先，选择 Device Drivers 选项进入下一级配置，如下图所示：

图 3-2: Device Drivers

选择 Pulse-Width Modulation (PWM) Support 进入下一步配置，如下图所示:

图3-3: Pulse-Width Modulation (PWM) Support

3.选择 SUNXI PWM SELECT 进入下一步配置，如下图所示:

图3-4: SUNXI PWM SELECT

4.选择 Sunxi Enhance PWM support 配置

图 3-5: Sunxi Enhance PWM support

在 4.9 内核选择该配置，选择的是对应目录中的 pwm-sunxi-new.c 文件。也可以有以下配置；在第 3 步中直接选择 Allwinner PWM support 选项，选择的是对应目录中的 pwm-sun4i.c 文件

在第 4 步中选择 Sunxi PWM Support 选项，选择的是对应目录中的 pwm-sunxi.c 文件

3.3.2 linux-5.4

linux5.4 平台中, 在命令行中进入内核根目录，执行./build.sh menuconfig 进入配置主界面，并按以下步骤操作：

首先，选择 Device Drivers 选项进入下一级配置，如下图所示：

图 3-6: Device
选择 Pulse-Width Modulation (PWM) Support 进入下一步配置，如下图所示

图 3-7: Pulse-Width Modulation (PWM) Suppor
选择 SUNXI PWM SELECT 进入下一步配置，如下图所示:

图3-8: SUNXI PWM SELECT
选择 Sunxi PWM group support 配置

图3-9: Sunxi PWM group support

3.4 设备树配置

3.4.1 linux-4.9

PWM 模块在设备树中的配置如下所示：

	pwm: pwm@0300a000 { 
		ompatible = "allwinner,sunxi-pwm"; 
		reg = <0x0 0x0300a000 0x0 0x3c>; //寄存器地址配置 
		pwm-number = <1>; //pwm的个数 
		pwm-base = <0x0>; //pwm的起始序号 
		pwms = <&pwm0>, <&pwm1>; 
	}; 
	s_pwm: s_pwm@0300a000 { 
		compatible = "allwinner,sunxi-s_pwm"; 
		reg = <0x0 0x0300a000 0x0 0x3c>; 
		pwm-number = <1>; 
		pwm-base = <0x10>; 
		pwms = <&spwm0>; 
	};

注意，如果在模块配置中选择了 Sunxi PWM support 选项 (具体参数可以查看相关源文件)，则需要配置以下设备树：

	pwm0: pwm0@01c23400 { 

		compatible = "allwinner,sunxi-pwm0"; 
		pinctrl-names = "active", "sleep"; 
		reg_base = <0x01c23400>; 
		reg_peci_offset = <0x00>; 
		reg_peci_shift = <0x00>; 
		reg_peci_width = <0x01>; 
		reg_pis_offset = <0x04>; 
		reg_pis_shift = <0x00>; 
		reg_pis_width = <0x01>; 
		reg_crie_offset = <0x10>; 
		reg_crie_shift = <0x00>; 
		reg_crie_width = <0x01>; 
		reg_cfie_offset = <0x10>; 
		reg_cfie_shift = <0x01>; 
		reg_cfie_width = <0x01>; 
		reg_cris_offset = <0x14>; 
		reg_cris_shift = <0x00>; 
		reg_cris_width = <0x01>; 
		reg_cfis_offset = <0x14>; 
		reg_cfis_shift = <0x01>; 
		reg_cfis_width = <0x01>; 
		reg_clk_src_offset = <0x20>; 
		reg_clk_src_shift = <0x07>;
		reg_clk_src_width = <0x02>;
        reg_bypass_offset = <0x20>;
        reg_bypass_shift = <0x05>;
        reg_bypass_width = <0x01>;
        reg_clk_gating_offset = <0x20>;
        reg_clk_gating_shift = <0x04>;
        reg_clk_gating_width = <0x01>;
        reg_clk_div_m_offset = <0x20>;
        reg_clk_div_m_shift = <0x00>;
        reg_clk_div_m_width = <0x04>;
        reg_pdzintv_offset = <0x30>;
        reg_pdzintv_shift = <0x08>;
        reg_pdzintv_width = <0x08>;
        reg_dz_en_offset = <0x30>;
        reg_dz_en_shift = <0x00>;
        reg_dz_en_width = <0x01>;
        reg_enable_offset = <0x40>;
        reg_enable_shift = <0x00>;
        reg_enable_width = <0x01>;
        reg_cap_en_offset = <0x44>;
        reg_cap_en_shift = <0x00>;
        reg_cap_en_width = <0x01>;
        reg_period_rdy_offset = <0x60>;
        reg_period_rdy_shift = <0x0b>;
        reg_period_rdy_width = <0x01>;
        reg_pul_start_offset = <0x60>;
        reg_pul_start_shift = <0x0a>;
        reg_pul_start_width = <0x01>;
        reg_mode_offset = <0x60>;
        reg_mode_shift = <0x09>;
        reg_mode_width = <0x01>;
        reg_act_sta_offset = <0x60>;
        reg_act_sta_shift = <0x08>;
        reg_act_sta_width = <0x01>;
        reg_prescal_offset = <0x60>;
        reg_prescal_shift = <0x00>;
        reg_prescal_width = <0x08>;
        reg_entire_offset = <0x64>;
        reg_entire_shift = <0x10>;
        reg_entire_width = <0x10>;
        reg_active_offset = <0x64>;
        reg_active_shift = <0x00>;
        reg_active_width = <0x10>;
};

PWM 模块在 sys_config.fex 的配置如下所示：

    [pwm0]
    pwm_used = 1
    pwm_positive = port:PB2<3><0><default><default>
    [pwm0_suspend]
    pwm_positive = port:PB2<7><0><default><default>

3.4.2 linux-5.4

PWM 模块在设备树中的配置如下所示：

    pwm: pwm@2000c00 {
        #pwm-cells = <0x3>;
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm";
        reg = <0x0 0x02000c00 0x0 0x400>;
        clocks = <&ccu CLK_BUS_PWM>;
        resets = <&ccu RST_BUS_PWM>;
        pwm-number = <8>;
        pwm-base = <0x0>;
        sunxi-pwms = <&pwm0>, <&pwm1>, <&pwm2>, <&pwm3>, <&pwm4>,
        <&pwm5>, <&pwm6>, <&pwm7>;
    };
    pwm0: pwm0@2000c10 {
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm0";
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        reg = <0x0 0x02000c10 0x0 0x4>;
        reg_base = <0x02000c00>;
    };
    pwm1: pwm1@2000c11 {
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm1";
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        reg = <0x0 0x02000c11 0x0 0x4>;
        reg_base = <0x02000c00>;
    };
    pwm2: pwm2@2000c12 {
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm2";
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        reg = <0x0 0x02000c12 0x0 0x4>;
        reg_base = <0x02000c00>;
    };
    pwm3: pwm3@2000c13 {
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm3";
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        reg = <0x0 0x02000c13 0x0 0x4>;
        reg_base = <0x02000c00>;
    };
    pwm4: pwm4@2000c14 {
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm4";
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        reg = <0x0 0x02000c14 0x0 0x4>;
        reg_base = <0x02000c00>;
	};
    pwm5: pwm5@2000c15 {
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm5";
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        reg = <0x0 0x02000c15 0x0 0x4>;
        reg_base = <0x02000c00>;
    };
    pwm6: pwm6@2000c16 {
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm6";
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        reg = <0x0 0x02000c16 0x0 0x4>;
        reg_base = <0x02000c00>;
    };
    pwm7: pwm7@2000c17 {
        compatible = "allwinner,sunxi-pwm7";
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        reg = <0x0 0x02000c17 0x0 0x4>;
        reg_base = <0x02000c00>;
    };

在板级目录下的配置:

    pwm3_pin_a: pwm3@0 {
        pins = "PB0";
        function = "pwm3";
        drive-strength = <10>;
        bias-pull-up;
    };
    pwm3_pin_b: pwm3@1 {
        pins = "PB0";
        function = "gpio_in";
        bias-disable;
    };
    pwm7_pin_a: pwm7@0 {
        pins = "PD22";
        function = "pwm7";
        drive-strength = <10>;
        bias-pull-up;
    };
    pwm7_pin_b: pwm7@1 {
        pins = "PD22";
        function = "gpio_out";
    };
    &pwm3 {
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        pinctrl-0 = <&pwm3_pin_a>;
        pinctrl-1 = <&pwm3_pin_b>;
        status = "okay";
    };
    &pwm7 {
        pinctrl-names = "active", "sleep";
        pinctrl-0 = <&pwm7_pin_a>;
        pinctrl-1 = <&pwm7_pin_b>;
        status = "okay";
	};

具体通道配置按照需求进行配置.

3.5 源码结构

PWM 驱动的源代码位于内核的 drivers/pwm 目录下，具体的路径如下所示：

3.5.1 linux-4.9

drivers/pwm/
├── pwm-sunxi-new.c // Sunxi Enhance PWM support对应的PWM驱动
├── pwm-sunxi.c // Sunxi PWM support对应的PWM驱动
├── pwm-sun4i.c // Allwiner PWM support对应的PWM驱动
├── sysfs.c //PWM子系统的文件系统相关文件
├── core.c //PWM子系统的核心文件

3.5.2 linux-5.4

drivers/pwm/
├── pwm-sunxi-group.c // Sunxi GROUP PWM support对应的PWM驱动
├── sysfs.c //PWM子系统的文件系统相关文件
├── core.c //PWM子系统的核心文件

3.6 调试接口

可以直接在 linux 内核中调试 pwm 模块，具体如下：进入/sys/class/pwm 目录，该目录是 linux 内核为 pwm 子系统提供的类目录，遍历该目录：

/sys/class/pwm # ls
pwmchip0

可以看到，上述 pwmchip0 就是我们注册的 pwm 控制器，进入该目录，然后遍历该目录：

/sys/class/pwm # cd pwmchip0/
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # ls
device export npwm subsystem uevent unexport

其中 npwm 文件储存了该 pwm 控制器的 pwm 个数，而 export 和 unexport 是导出和删除某个 pwm 设备的文件，下面演示导出 pwm1。

/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # cat npwm
2
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # echo 1 > export
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # ls
device export npwm pwm1 subsystem uevent unexport

可以看到目录中多出 pwm1 目录，进入该目录，遍历：

/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # cd pwm1/
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # ls
capture duty_cycle enable period polarity uevent

该目录中，enable 是使能 pwm，duty_cycle 是占空比，period 是周期，polarity 是极性，可以配置相关的 pwm 并且使能：

/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # echo 1000000000 > period
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # echo 500000000 > duty_cycle
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # echo normal > polarity
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # echo 1 > enable

如果相关引脚接上了示波器等，可以看到波形。最后返回上层目录，删除该 pwm 设备：

/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # cd ..
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # ls
device export npwm pwm1 subsystem uevent unexport
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # echo 1 > unexport
/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # ls
device export npwm subsystem uevent unexport