Linux LED 驱动开发实验

1、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。LED 灯驱动最终也是对 I.MX6ULL 的 IO 口进行配置，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，重点就是编写 Linux 下 I.MX6UL 引脚控制驱动。

2、地址映射

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。

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，PhyscicalAddress)。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。

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。

3、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。

#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);

4、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

ounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);

5、I/O 内存访问函数

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

1 u8 readb(const volatile void __iomem *addr)

2 u16 readw(const volatile void __iomem *addr)

3 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

1 void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr)

2 void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr)

3 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。

6、LED 灯驱动程序编写

#include <linux/module.h> //所有模块都需要的头文件
#include <linux/init.h>   // init&exit 相关宏
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/fs.h>

#define LED_MAJOR 200
#define LED_NAME  "led"

/*寄存器物理地址*/
#define CCM_CCGR1_BASE              (0x020C406C)
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE      (0x02030068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE      (0x020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE               (0x0209C000)
#define GPIO1_GRIR_BASE             (0x0209C004)

/*地址映射后的虚拟地址指针*/
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 LEDOFF 0  //关闭
#define LEDON  1   //打开

/*LED灯打开/关闭*/
static void led_switch(u8 sta)
{
    u32 val = 0;
    if(sta == LEDON)
    {
        val = readl(GPIO1_DR);
        val &= ~(1 << 3);         //bit3清零，打开led灯
        writel(val,GPIO1_DR);
    }
    else if (sta == LEDOFF)
    {
        val = readl(GPIO1_DR);
        val |= (1 << 3);
        writel(val,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 count, loff_t *ppos)
{
    unsigned int retvalue;
    unsigned char databuf[1];
    retvalue = copy_from_user(databuf,buf,count);
    if(retvalue < 0)
    {
        printk("kernel write failed!\r\n");
        return -EFAULT;
    }
    /*判断是开灯还是关灯*/
    led_switch(databuf[0]);
    return 0;
}

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

    return 0;

}

//字符设备操作集
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;
    unsigned int val = 0;
    /*初始化led灯,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_GRIR_BASE,4);

    /*初始化*/
    val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
    val &= ~(3 <<26);  //先清除以前的配置bit26,27
    val |= 3 << 26;
    writel(val,IMX6U_CCM_CCGR1);

    writel(0x5,SW_MUX_GPIO1_IO03);  //设置复用
    writel(0x10b0,SW_PAD_GPIO1_IO03);  //设置电气属性

    val = readl(GPIO1_GDIR);
    val |= 1 << 3;               //bit3置1，设置为输出
    writel(val,GPIO1_GDIR);


    val = readl(GPIO1_DR);
    val |= ~(1 << 3);         //bit3置1，打开led灯
    writel(val,GPIO1_DR);


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

/*出口*/
static void __exit led_exit(void)
{

    /*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");
}

/*注册驱动加载和卸载*/
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("hsj");

7、编写测试 APP

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

#define LEDOFF 0 
#define LEDON  1

int main(int argc,char *argv[])
 {
    int fd,retvalue;
    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("open failed\r\n");
      return -1;
  }  
  
    databuf[0] = atoi(argv[2]);   //将字符转换为数字
    retvalue = write(fd,databuf,1);
    if (retvalue < 0)
    { 
      printf("LED Control failed!\r\n");
      close(fd);
      return -1;
     } 
     

     close(fd);
     return 0;
  }

运行测试

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！

./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！

如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：