【嵌入式Linux驅動開發】三、點亮LED,初探驅動與硬件交互

  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:

在這裏插入圖片描述

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

在這裏插入圖片描述

  • GPIO2時鐘控制寄存器
    在這裏插入圖片描述

  • GPIO3時鐘控制寄存器
    在這裏插入圖片描述

  • GPIO4時鐘控制寄存器
    在這裏插入圖片描述

而CCM_CCGR 寄存器中某 2 位的取值含義如下:

在這裏插入圖片描述

  • 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)
      在這裏插入圖片描述

    • 每個引腳都有8個可選的模式(alternate (ALT) MUX_MODE)
      在這裏插入圖片描述

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)
      在這裏插入圖片描述

    • 設置電氣屬性
      在這裏插入圖片描述

1.2.3 GPIO模塊

框圖如下

在這裏插入圖片描述

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

在這裏插入圖片描述

  • 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
    在這裏插入圖片描述

  • 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
    在這裏插入圖片描述

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。

在這裏插入圖片描述

  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。

在這裏插入圖片描述

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,
    在這裏插入圖片描述
  • 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!】
  • 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

在這裏插入圖片描述

  • 在qemu終端,運行應用程序關閉LED0
./ledtest /dev/led0 off

在這裏插入圖片描述

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~

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