總盯着過去,你會瞎掉一隻眼;然而忘掉歷史,你會雙目失明。
一、IMX6ULL的GPIO操作流程
1.1 IMX6ULL 的 GPIO 模塊結構
閱讀IMX6ULL的參考手冊,我們可以知道IMX6ULL共有 5 組 GPIO( GPIO1~GPIO5),每組引腳最多有 32 個,但是可能實際上並沒有那麼多。
組別 | 引腳 |
---|---|
GPIO1 有 32 個引腳: | GPIO1_IO0~GPIO1_IO31; |
GPIO2 有 22 個引腳: | GPIO2_IO0~GPIO2_IO21; |
GPIO3 有 29 個引腳: | GPIO3_IO0~GPIO3_IO28; |
GPIO4 有 29 個引腳: | GPIO4_IO0~GPIO4_IO28; |
GPIO5 有 12 個引腳: | GPIO5_IO0~GPIO5_IO11; |
GPIO 的控制涉及 3 大模塊: CCM、 IOMUXC、 GPIO 模塊本身,框圖如下:
1.2 各個模塊含義及具體操作
- CCM: Clock Controller Module (時鐘控制模塊)
- IOMUXC : IOMUX Controller, IO 複用控制器
- GPIO: General-purpose input/output,通用的輸入輸出口
1.2.1 CCM模塊 - 向 GPIO 模塊提供時鐘
GPIOx 要用 CCM_CCGRy 寄存器中的 2 位來決定該組 GPIO 是否使能。各組GPIO的具體時鐘控制寄存器如下所示。
- GPIO1、 GPIO5 時鐘控制寄存器
-
GPIO2時鐘控制寄存器
-
GPIO3時鐘控制寄存器
-
GPIO4時鐘控制寄存器
而CCM_CCGR 寄存器中某 2 位的取值含義如下:
- ① 00:該 GPIO 模塊全程被關閉
- ② 01:該 GPIO 模塊在 CPU run mode 情況下是使能的;在 WAIT 或 STOP 模式下,關閉。
- ③ 10:保留
- ④ 11:該 GPIO 模塊全程使能
1.2.2 IOMUXC模塊 - 控制引腳的複用模式及電氣屬性
一個引腳寄存器 | 作用 |
---|---|
IOMUXC_SW_ MUX _ CTL_PAD_< PADNAME > | 選擇某個 引腳的複用模式 |
IOMUXC_SW_ PAD _ CTL_PAD_< PADNAME > | 選擇某個 引腳的電氣屬性 |
- IOMUXC_SW_ MUX _ CTL_PAD_< PADNAME >:選擇某個引腳的複用模式
-
一個引腳對應一個寄存器(前綴MUX)
-
每個引腳都有8個可選的模式(alternate (ALT) MUX_MODE)
-
順便一提,上圖中的loopback 功能(迴環測試)。設置該引腳的 loopback 功能,這樣就可以從 GPIOx_PSR 中讀到引腳的有實電平!
因爲從 GPIOx_DR 中讀回的只是上次設置的值,它並不能反應引腳的真實電平。假若硬件故障導致該引腳與地短路了,通過設置 GPIOx_DR讓它輸出高電平並不會起效果,這時我們通過讀取GPIOx_PSR便可知道該引腳的真實輸出狀態!
- IOMUXC_SW_ PAD _ CTL_PAD_< PADNAME >: 選擇某個引腳的電氣屬性
-
也是一個引腳對應一個寄存器(前綴PAD)
-
設置電氣屬性
-
1.2.3 GPIO模塊
框圖如下
主要關心3個寄存器:
- ① GPIOx_GDIR:設置引腳方向,每位對應一個引腳, 1-output, 0-input
-
② GPIOx_GDIR:設置輸出引腳的電平,每位對應一個引腳, 1-高電平, 0-低電平
-
③ GPIOx_PSR:讀取引腳的電平,每位對應一個引腳, 1-高電平, 0-低電平
1.3 GPIO的讀寫操作步驟
1.3.1 讀GPIO
- ① 設置 CCM_CCGRx 寄存器中某位使能對應的 GPIO 模塊
- ② 設置 IOMUX 來選擇引腳用於 GPIO
- ③ 設置 GPIOx_GDIR 中某位爲 0,把該引腳設置爲輸入功能
- ④ 讀 GPIOx_DR 或 GPIOx_PSR 得到某位的值(讀 GPIOx_DR 返回的是 GPIOx_PSR 的值)
1.3.2 寫GPIO
- ① 設置 CCM_CCGRx 寄存器中某位使能對應的 GPIO 模塊
- ② 設置 IOMUX 來選擇引腳用於 GPIO
- ③ 設置 GPIOx_GDIR 中某位爲 1,把該引腳設置爲輸出功能
- ④ 寫 GPIOx_DR 某位的值
二、LED的驅動框架
上一節的Hello驅動,並沒有實際操作硬件,而LED點燈驅動操作硬件勢在必行。這時就有一個問題需要考慮了,APP應用程序只是調用驅動程序的接口,這個不涉及具體硬件,所以無可厚非。而驅動程序肯定要操作硬件,這時如果把硬件的寄存器操作與驅動程序混在一起編寫,那麼我們的驅動程序的可移植性將會變得特別差。當硬件發生變動時,我們需要更改驅動程序!這顯然不是我們想要的結果,那怎麼樣才能實現應用程序通用,驅動程序也通用呢?分層!
即把驅動拆分爲通用的框架(leddrv.c)、具體的硬件操作(board_X.c),如下圖所示。
分別爲不同板子,編寫具體的硬件操作代碼!每個單板的具體硬件操作分爲:LED初始化(board_led_init)和LED控制(board_led_ctrl)!而這兩個函數我們又可以將其定義爲一個結構體,供上層的leddrv.c調用,於是下圖所示框架。
三、編寫代碼
leddrv.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include "led_opr.h"
/* 1. 確定主設備號 */
static int major = 0;
static struct class *led_class;
struct led_operations *p_led_opr;
/* 3. 實現對應的open/read/write等函數,填入file_operations結構體 */
static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
int minor = iminor(node);
/* 根據次設備號初始化LED */
p_led_opr->init(minor);
return 0;
}
static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
return 0;
}
static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
return 0;
}
/* write(fd, &val, 1); */
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
int err;
char status;
struct inode *node = file_inode(file);
int minor = iminor(node);
err = copy_from_user(&status, buf, 1);
/* 根據次設備號和status控制LED */
p_led_opr->ctl(minor, status);
return 1;
}
/* 2. 定義自己的file_operations結構體 */
static struct file_operations led_drv = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_drv_open,
.read = led_drv_read,
.write = led_drv_write,
.release = led_drv_close,
};
/* 5. 誰來註冊驅動程序啊?得有一個入口函數:安裝驅動程序時,就會去調用這個入口函數 */
static int __init led_init(void)
{
int err;
int i;
printk("LED init \r\n");
/* 4. 把file_operations結構體告訴內核:註冊驅動程序 */
major = register_chrdev(0, "led", &led_drv); /* /dev/led */
/* 7. 其他完善:提供設備信息,自動創建設備節點 */
led_class = class_create(THIS_MODULE, "led_class");
err = PTR_ERR(led_class);
if (IS_ERR(led_class)) {
unregister_chrdev(major, "led");
return -1;
}
/* 注意要在創建設備之前獲得led_operaions結構體(需要用到其中的num) */
p_led_opr = get_board_led_opr();
for (i = 0; i < p_led_opr->num; i++)
device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "led%d", i); /* /dev/led0,1,... */
return 0;
}
/* 6. 有入口函數就應該有出口函數:卸載驅動程序時,就會去調用這個出口函數 */
static void __exit led_exit(void)
{
int i;
printk("LED exit \r\n");
for (i = 0; i < p_led_opr->num; i++)
device_destroy(led_class, MKDEV(major, i)); /* /dev/led0,1,... */
device_destroy(led_class, MKDEV(major, 0));
class_destroy(led_class);
unregister_chrdev(major, "led");
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
LED驅動程序說明:
- 驅動程序和上一節的Hello驅動大差不差,核心依然是 file_operations 結構體。
- 我們創建了2個LED,這兩個主設備號一樣,區分主要靠次設備號!
- 在入口函數中,從底層硬件相關的代碼 board_qemu.c 中獲得 led_operaions 結構體,相應的別忘了包含頭文件led_opr.h
- 然後通過for循環運行device_create函數,初始化led_operaions結構體中的num個LED設備
- 在入口函數中,先創建類,再創建結構體。在出口函數中,需要先銷燬結構體,再銷燬類!
- open,close函數中可以直接通過
iminor(node)
獲得設備的此設備號 - write,read函數中需要先通過
file_inode(file)
獲得node節點,然後再通過iminor(node)
獲得設備的次設備號!
board_qemu.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include "led_opr.h"
/* 需要理解開始偏移23個int,即23x4=92=0x5C
* IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 地址是 20E_0000h base + 5Ch
*/
struct iomux {
volatile unsigned int unnames[23];
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00; /* offset 0x5c*/
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO01;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO02;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO04;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO05;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO06;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO07;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO08;
volatile unsigned int IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO09;
};
struct imx6ull_gpio {
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;
};
/* enable GPIO1,GPIO5 他們兩個都是由CCGR1來控制的!*/
static volatile unsigned int *CCM_CCGR1;
/* set GPIO5_IO03 as GPIO 值得一提的是,IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3複用時只有一種即GPIO5_IO03*/
static volatile unsigned int *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3;
/* set GPIO1_IO03 as GPIO */
static struct iomux *iomux;
static struct imx6ull_gpio *gpio1;
static struct imx6ull_gpio *gpio5;
static int board_qemu_led_init (int which) /* 初始化LED, which-哪個LED */
{
if (!CCM_CCGR1)
{
CCM_CCGR1 = ioremap(0x20C406C, 4);
IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(0x2290014, 4);
iomux = ioremap(0x20E0000, sizeof(struct iomux));
gpio1 = ioremap(0x209C000, sizeof(struct imx6ull_gpio));
gpio5 = ioremap(0x20AC000, sizeof(struct imx6ull_gpio));
}
if (which == 0)
{
/* 1. enable GPIO5
* CG15, b[31:30] = 0b11
*/
*CCM_CCGR1 |= (3<<30);
/* 2. set GPIO5_IO03 as GPIO
* MUX_MODE, b[3:0] = 0b101
*/
*IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = 5;
/* 3. set GPIO5_IO03 as output
* GPIO5 GDIR, b[3] = 0b1
*/
gpio5->gdir |= (1<<3);
}
else if(which == 1)
{
/* 1. enable GPIO1
* CG13, b[27:26] = 0b11
*/
*CCM_CCGR1 |= (3<<26);
/* 2. set GPIO1_IO03 as GPIO
* MUX_MODE, b[3:0] = 0b101
*/
iomux->IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 = 5;
/* 3. set GPIO1_IO03 as output
* GPIO1 GDIR, b[3] = 0b1
*/
gpio1->gdir |= (1<<3);
}
else if(which == 2)
{
/* 1. enable GPIO1
* CG13, b[27:26] = 0b11
*/
*CCM_CCGR1 |= (3<<26);
/* 2. set GPIO1_IO05 as GPIO
* MUX_MODE, b[3:0] = 0b101
*/
iomux->IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO05 = 5;
/* 3. set GPIO1_IO05 as output
* GPIO1 GDIR, b[5] = 0b1
*/
gpio1->gdir |= (1<<5);
}
else if(which == 3)
{
/* 1. enable GPIO1
* CG13, b[27:26] = 0b11
*/
*CCM_CCGR1 |= (3<<26);
/* 2. set GPIO1_IO06 as GPIO
* MUX_MODE, b[3:0] = 0b101
*/
iomux->IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO06 = 5;
/* 3. set GPIO1_IO06 as output
* GPIO1 GDIR, b[6] = 0b1
*/
gpio1->gdir |= (1<<6);
}
//printk("%s %s line %d, led %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which);
return 0;
}
static int board_qemu_led_ctl (int which, char status) /* 控制LED, which-哪個LED, status:1-亮,0-滅 */
{
//printk("%s %s line %d, led %d, %s\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, status ? "on" : "off");
if (which == 0)
{
if (status) /* on : output 0 */
gpio5->dr &= ~(1<<3);
else /* on : output 1 */
gpio5->dr |= (1<<3);
}
else if (which == 1)
{
if (status) /* on : output 0 */
gpio1->dr &= ~(1<<3);
else /* on : output 1 */
gpio1->dr |= (1<<3);
}
else if (which == 2)
{
if (status) /* on : output 0 */
gpio1->dr &= ~(1<<5);
else /* on : output 1 */
gpio1->dr |= (1<<5);
}
else if (which == 3)
{
if (status) /* on : output 0 */
gpio1->dr &= ~(1<<6);
else /* on : output 1 */
gpio1->dr |= (1<<6);
}
return 0;
}
static struct led_operations board_qemu_led_opr = {
.num = 4,
.init = board_qemu_led_init,
.ctl = board_qemu_led_ctl,
};
struct led_operations *get_board_led_opr(void)
{
return &board_qemu_led_opr;
}
單板程序編程步驟
- ① 看原理圖確定引腳,確定引腳輸出什麼電平才能點亮/熄滅 LED
- ② 看主芯片手冊,確定寄存器操作方法:哪些寄存器?哪些位?地址是?
- ③ 編寫驅動:先寫框架,再寫硬件操作的代碼
GPIO單板控制說明
- 先來上單板要控制的LED原理圖,
- 在芯片手冊中確定的寄存器地址被稱爲物理地址,在 Linux 內核中無法直接使用。需要使用內核提供的 ioremap 把物理地址映射爲虛擬地址,使用虛擬地址。
- 實際上,它是按頁(4096 字節)進行映射的,是整頁整頁地映射的。假設 phys_addr = 0x10002, size=4, ioremap 的內部實現是:
- a. phys_addr 按頁取整,得到地址 0x10000
- b. size 按頁取整,得到 4096
- c. 把起始地址 0x10000,大小爲 4096 的這一塊物理地址空間,映射到虛擬地址空間,假設得到的虛擬空間起始地址爲 0xf0010000
- d. 那麼 phys_addr = 0x10002 對應的 virt_addr = 0xf0010002
- 不再使用該段虛擬地址時,要 iounmap(virt_addr):【本程序暫時未釋放,下一篇優化!】
- 實際上,它是按頁(4096 字節)進行映射的,是整頁整頁地映射的。假設 phys_addr = 0x10002, size=4, ioremap 的內部實現是:
- 需要理解iomux開始偏移23個int的原因,23個int即23x4=92=0x5C。而IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 地址是 20E_0000h base + 5Ch
- GPIO1,GPIO5 他們兩個都是由CCGR1來控制的!
- 值得一提的是,IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3複用GPIO時只有一種即GPIO5_IO03
- 另外注意程序中使用的volatile關鍵字:防止編譯器優化,詳細介紹參考這裏。
led_opr.h
#ifndef _LED_OPR_H
#define _LED_OPR_H
struct led_operations {
int num; /* num-LED數量 */
int (*init) (int which); /* 初始化LED, which-哪個LED */
int (*ctl) (int which, char status); /* 控制LED, which-哪個LED, status:1-亮,0-滅 */
};
struct led_operations *get_board_led_opr(void);
#endif
led_operations 需要說明的:
- 該頭文件定義led_operations結構體,注意它的寫法想不想file_operation呢?細細體會!
- 聲明瞭led_operations返回函數get_board_led_opr
ledtest.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/*
* ./ledtest /dev/led0 on
* ./ledtest /dev/led0 off
*/
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
char status;
/* 1. 判斷參數 */
if (argc != 3)
{
printf("Usage: %s <dev> <on | off>\n", argv[0]);
return -1;
}
/* 2. 打開文件 */
fd = open(argv[1], O_RDWR);
if (fd == -1)
{
printf("can not open file %s\n", argv[1]);
return -1;
}
/* 3. 寫文件 */
if (0 == strcmp(argv[2], "on"))
{
status = 1;
write(fd, &status, 1);
}
else
{
status = 0;
write(fd, &status, 1);
}
close(fd);
return 0;
}
應用程序需要說明的是:
- 這個跟之前的Hello驅動也差不多,爲了方便理解程序,把一些判斷都刪除了。
- strcmp字符串比較函數可以借鑑一下!
Makefile
KERN_DIR = /home/clay/linux/qemu/kernel/100ask_imx6ull-qemu/linux-4.9.88
all:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
$(CROSS_COMPILE)gcc -o ledtest ledtest.c
clean:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
rm -rf modules.order
rm -f ledtest
# 參考內核源碼drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c編譯成ab.ko, 可以這樣指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o
# leddrv.c board_qemu.c 編譯成 led.ko
led-y := leddrv.o board_qemu.o
obj-m += led.o
Makefile需要說明的:
- 這一次把應用程序的編譯一併加入了Makefile
- 注意這次驅動涉及多文件,最後兩行的寫法需要體會!
四、運行程序
編譯程序沒有問題後,運行qemu虛擬開發板,並做好準備工作!將
- 拷貝led.ko和ledtest到NFS中
cp *.ko ledtest ~/linux/qemu/NFS/
- 在qemu終端,加載led.ko文件
insmod led.ko
- 在qemu終端,運行應用程序打開LED0
./ledtest /dev/led0 on
- 在qemu終端,運行應用程序關閉LED0
./ledtest /dev/led0 off
其餘三盞燈,操作分別用led1 led2 led3即可,這裏不再一一演示。
嘻嘻,好長的一篇~