【Linux】LED驱动

Linux

发布日期: 2020-03-12

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前言

上一篇我们分享了字符设备驱动框架：嵌入式Linux驱动基础，当时分享的是hello驱动程序。学STM32我们从点灯开始，学Linux驱动我们自然也要点个灯来玩玩，尽量在从这些基础例程中榨取知识，细抠、细抠，为之后更复杂的知识打好基础。

与硬件无关的LED驱动

回顾hello驱动程序，我们的根据实际需求对其进行写字符串与读字符串操作。这里我们当然也要根据实际来思考我们的LED驱动程序。在STM32点灯的时候，一般输出低电平点灯，输出高电平灭灯。在嵌入Linux操作系统的情况下，我们自然也要想到有个写1/0的思想。类比我们上一篇的hello程序：

我们的LED程序自然要写入的数据为0/1来点亮、熄灭LED。这里我们做的实验室与硬件无关的LED实验：我们的驱动程序在收到应用程序发送过来的0时打印led on、收到1时打印led off。模仿上一篇的hello程序，我们修改得到的与硬件无关的LED程序（核心部分）如下：

LED应用程序：

LED驱动程序：

加载led驱动模块及运行应用程序：

与硬件有关的LED驱动

上面那一节分享的是与硬件无关的LED驱动实验，主要是为了理清LED驱动的大体思路。这里我们再加入与硬件有关的相关操作以构造与硬件有关的LED驱动程序。

我们在进行STM32的裸机编程的时候，对一些外设进行配置其实就是操作一些地址的过程，这些外设地址在芯片手册中可以看到：

这是地址映射图，这里图中只是列出的外设的边界地址，每个外设又有很多寄存器，这些寄存器的地址都是对外设基地址进行偏移得到的。同样的，对于NXP的IMX6ULL芯片来说，也是有类似这样的地址的：

此时我们要编写Linux系统下的led驱动，涉及到硬件操作的地方操作的并不是这些地址（物理地址），而是操作系统给我们提供的地址（虚拟地址）。操作系统根据物理地址来给我们生成一个虚拟地址，我们的led驱动操控这个地址就是间接的操控物理地址。至于这两个地址是怎么联系起来的，里面个原理我们暂且不展开。我们从函数层面来看，内核给我们提供了ioremap 函数，这个函数可以把物理地址映射为虚拟地址。这个函数在内核文件arch/arm/include/asm/io.h 中：

void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size);

res_cookie：要映射给的物理起始地址。
size：要映射的内存空间大小。
返回值：指向映射后的虚拟空间首地址。

与ioremap函数相对应的函数为：

void iounmap (volatile void __iomem *addr)

addr：要取消映射的虚拟地址空间首地址。

地址映射完成之后，我们可以直接通过指针来访问虚拟地址，如：

*GPIO5_DR &= ~(1 << 3);  /* GPIO5_IO03输出低电平 */
*GPIO5_DR |= (1 << 3);   /* GPIO5_IO03输出高电平 */

这里简单介绍一下i.MX 6ULL的GPIO。对于i.MX 6ULL来说，以数字来给IO端口（组别）命令，GPIO5为第五组，所以GPIO5_IO03为第五组端口的第3个引脚。而STM32中是以大写字母来表示端口（组别），如PA3表示A端口的第3个引脚。

i.MX 6ULL有 5 组 GPIO（GPIO1～ GPIO5），每组引脚最多有 32 个：

GPIO1 有 32 个引脚： GPIO1_IO0~GPIO1_IO31；
GPIO2 有 22 个引脚： GPIO2_IO0~GPIO2_IO21；
GPIO3 有 29 个引脚： GPIO3_IO0~GPIO3_IO28；
GPIO4 有 29 个引脚： GPIO4_IO0~GPIO4_IO28；
GPIO5 有 12 个引脚： GPIO5_IO0~GPIO5_IO11；

地址映射完成之后，我们不仅可以通过指针来访问虚拟地址，而且还可以使用内核给我们提供的一些读写函数：

/* 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);
/* 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);

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。

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。

此时我们可以把上一节的led_init函数led_drv_write函数进行修改：

与STM32一样，对于i.MX 6ULL的GPIO外设来说，也有很多寄存器：

上面我们只是点一个灯，如果是要点多个灯呢？那就得操控多个GPIO。如果进行地址映射的写法还像上面那样，代码就会显得很臃肿。回想一下我们STM32，GPIO外设通过结构体来管理它的寄存器：

这里的__IO是个宏，代表C语言的关键字volatile ，为了防止编译器对我们的一些硬件操作进行优化，从而得不到想要的结果。比如：

/* 假设REG为寄存器的地址 */
uint32 *REG;
*REG = 0；  /* 点灯 */
*REG = 1；  /* 灭灯 */

此时若是REG不加volatile进行修饰，则点灯操作将被优化掉，只执行灭灯操作。

在这里，我们也可以模仿STM32那样子，用一个结构体来对i.MX 6ULL的GPIO的寄存器进行管理，如：

struct GPIO_RegDef
{
  volatile unsigned int DR;
  volatile unsigned int GDIR;
  volatile unsigned int PSR;
  volatile unsigned int ICR1;
  volatile unsigned int ICR2;
  volatile unsigned int IMR;
  volatile unsigned int ISR;
  volatile unsigned int EDGE_SEL;
};

结构体里的成员排序是要按照特定顺序来的：

因为这些寄存器都是相对于GPIO外设的基地址作偏移得到的，比如：

不能打乱顺序，否则就不能正确访问到对应的寄存器了。用结构体进行管理之后，我们就可以用类似下面的方式进行映射：

struct GPIO_RegDef *GPIO5 = ioremap(0x20AC000, sizeof(struct GPIO_RegDef));

然后就可以向STM32那样来操控GPIO寄存器，如：

GPIO5->DR &= ~(1 << 3);  /* GPIO5_IO03输出低电平 */
GPIO5->DR |= (1 << 3);   /* GPIO5_IO03输出高电平 */

与硬件有关的LED驱动（升级版）

上一节我们分享的LED驱动是一个常规的LED驱动，只能适用于我们当前的开发版，所以是一个专用的LED驱动程序。若是换了另一块板，led所连接的gpio引脚可能不一样了，我们就修改我们的驱动程序led_drv.c里与寄存器相关的操作。有没有更好的办法不用再修改我们的led_drv.c驱动程序了？

若是led_drv.c不用再修改了，那么这个led_drv.c驱动就是一个通用的驱动程序了。具体可查看韦东山老师的《嵌入式Linux应用开发完全手册第2版》第五篇第3~7节进行学习。

下面来简单地梳理一下：