【i.MX6ULL】驅(qū)動開發(fā)4——點亮LED(寄存器版)

上篇文章(【i.MX6ULL】驅(qū)動開發(fā)3--GPIO寄存器配置原理)，介紹了i.MX6ULL芯片的GPIO的工作原理與寄存器配置。

本篇，就要來實際操作一下GPIO，實現(xiàn)板子上LED燈的亮滅控制。

在介紹如何通過寄存器來控制LED之前，需要先來了解一下有關(guān)Linux地址映射相關(guān)的知識。

1 地址映射

Linux或是STM32，對于硬件的控制，本質(zhì)都是操作寄存器，在對應(yīng)的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。若是在裸機(jī)開發(fā)中，可以控制CPU直接操作寄存器的地址，實現(xiàn)相應(yīng)的功能，其過程是這樣的：

linux環(huán)境，一般是不會直接訪問物理內(nèi)存，因為如果用戶不小心修改了內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，很有可能造成錯誤甚至系統(tǒng)崩潰。為了避免這些問題，linux內(nèi)核便引入了MMU和TLB進(jìn)行內(nèi)存地址映射，通過訪問虛擬地址實現(xiàn)對實際物理地址的讀寫：

1.1 MMU介紹

MMU，Memory Manage Unit，即內(nèi)存管理單元，它提供統(tǒng)一的內(nèi)存空間抽象，程序通過訪問虛擬內(nèi)存中的地址，MMU將虛擬地址（Virtual Address）翻譯成實際的物理地址（Physical Address） ，之后CPU即可操作實際的物理地址。

MMU具有如下功能：

保護(hù)內(nèi)存： MMU給一些指定的內(nèi)存塊設(shè)置了讀、寫以及可執(zhí)行的權(quán)限，這些權(quán)限存儲在頁表當(dāng)中，MMU會檢查CPU當(dāng)前所處的是特權(quán)模式還是用戶模式，只有和操作系統(tǒng)所設(shè)置的權(quán)限匹配才可以訪問。

提供方便統(tǒng)一的內(nèi)存空間抽象，實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換：CPU可以運(yùn)行在虛擬的內(nèi)存當(dāng)中，虛擬內(nèi)存一般要比實際的物理內(nèi)存大很多，使得CPU可以運(yùn)行比較大的應(yīng)用程序。

1.2 TLB介紹

TLB，Translation Lookaside Buffer，即轉(zhuǎn)譯后備緩沖器，也稱頁表緩存，里面存放的是一些頁表文件（虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換表），又稱為快表技術(shù)。

當(dāng)CPU第一次查找一個虛擬地址時，硬件通過3級頁表（page table）得到最終的PPN（Physical Page Number），TLB會保存虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。這樣在下一次訪問同一個虛擬地址時，處理器通過查看TLB來直接返回物理地址，而不需要通過page table得到結(jié)果，從而提高地址轉(zhuǎn)換的效率。

1.3 I/O映射函數(shù)

Linux內(nèi)核啟動的時候會初始化MMU，設(shè)置好內(nèi)存映射，設(shè)置好以后CPU訪問的都是虛擬地址。

那在程序編寫的時候，如何進(jìn)行物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存之間的轉(zhuǎn)換呢？這就需要用到兩個函數(shù)：ioremap和iounmap。

ioremap()

ioremap函數(shù)用將物理地址映射為虛擬地址。

#define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE) 

/**
 * paddr: 被映射的 IO 起始地址（物理地址）
 * size: 需要映射的空間大小，以字節(jié)為單位
 * return: 一個指向__iomem類型的指針，映射成功后便返回一段虛擬地址空間的起始地址
 */
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)); 
} 

iounmap()

iounmap函數(shù)的作用是釋放掉ioremap函數(shù)所做的映射，即反向操作，在卸載驅(qū)動的時候需要調(diào)用。

/**
 * addr: 要取消映射的虛擬地址空間首地址
 * return: void
 */
void iounmap (volatile void __iomem *addr) 

1.4 I/O內(nèi)存訪問函數(shù)

在使用ioremap函數(shù)將物理地址轉(zhuǎn)換成虛擬地址之后，理論上我們便可以直接讀寫 I/O 內(nèi)存，但是為了符合驅(qū)動的跨平臺以及可移植性，我們應(yīng)該使用 linux 中指定的函數(shù)（如：iowrite8()、iowrite16()、iowrite32()、ioread8()、ioread16()、ioread32() 等）去讀寫 I/O 內(nèi)存，而非直接通過映射后的指向虛擬地址的指針進(jìn)行訪問。讀寫 I/O 內(nèi)存的函數(shù)如下：

unsigned int ioread8(void __iomem *addr);  /*讀取一個字節(jié)*/
unsigned int ioread16(void __iomem *addr); /*讀取一個字*/
unsigned int ioread32(void __iomem *addr); /*讀取一個雙字*/

void iowrite8(u8 b, void __iomem *addr);   /*寫入一個字節(jié)*/
void iowrite16(u16 b, void __iomem *addr); /*寫入一個字*/
void iowrite32(u32 b, void __iomem *addr); /*寫入一個雙字*/

對于讀I/O而言，他們都只有一個 __iomem 類型指針的參數(shù)，指向被映射后的地址，返回值為讀取到的數(shù)據(jù)；

對于寫I/O而言他們都有兩個參數(shù)，第一個為要寫入的數(shù)據(jù)，第二個參數(shù)為要寫入的地址，返回值為空。

與這些函數(shù)相似的還有writeb、writew、writel、readb、readw、readl 等

u8  readb(const volatile void __iomem *addr);
u16 readw(const volatile void __iomem *addr); 
u32 readl(const volatile void __iomem *addr);
    
void writeb(u8 value,  volatile void __iomem *addr); 
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr); 
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr);     

在 ARM 架構(gòu)下，writex（readx）函數(shù)與 iowritex（ioreadx）有一些區(qū)別，writex（readx）不進(jìn)行端序的檢查，而 iowritex（ioreadx）會進(jìn)行端序的檢查。

2 程序編寫

2.1 LED驅(qū)動程序

led驅(qū)動也是屬于字符設(shè)備驅(qū)動的，之前介紹了新舊兩種字符驅(qū)動的寫法，本篇led驅(qū)動就按照新字符設(shè)置驅(qū)動的寫法來編寫。

關(guān)于新字符設(shè)備的驅(qū)動模塊，可參考之前的文章：【i.MX6ULL】驅(qū)動開發(fā)2--新字符設(shè)備開發(fā)模板

這里再放一張新字符設(shè)備開發(fā)的模板框架

2.1.1 字符設(shè)備的基本框架

//字符設(shè)備結(jié)構(gòu)體
struct newchrled_dev{
	dev_t         devid;	/* 設(shè)備號   */
	struct cdev   cdev;		/* cdev     */
	struct class  *class;	/* 類       */
	struct device *device;	/* 設(shè)備     */
	int           major;	/* 主設(shè)備號 */
	int           minor;	/* 次設(shè)備號 */
};
struct newchrled_dev chrdevled; /* led設(shè)備 */

//打開 讀取 寫入 釋放, 基礎(chǔ)文件操作函數(shù)
static int chrdevled_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /*設(shè)置chrdevled為私有數(shù)據(jù)*/
    return 0;
}
static ssize_t chrdevled_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}
static ssize_t chrdevled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}
static int chrdevled_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

//設(shè)備操作函數(shù)結(jié)構(gòu)體
static struct file_operations chrdevled_fops = {
	.owner   = THIS_MODULE,	
	.open    = chrdevled_open,
	.read    = chrdevled_read,
	.write   = chrdevled_write,
	.release = chrdevled_release,
};

//驅(qū)動入口函數(shù)
static int __init chrdevled_init(void)
{
    /* 初始化LED */
    /* 注冊字符設(shè)備驅(qū)動（操作chrdevled_fops） */
    return 0;
}

//驅(qū)動出口函數(shù)
static void __exit chrdevled_exit(void)
{
    /* 取消IO映射 */
    /* 注銷字符設(shè)備驅(qū)動 */
}

//驅(qū)動的入口和出口函數(shù) 
module_init(chrdevled_init);
module_exit(chrdevled_exit);

//LICENSE和作者信息
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("xxpcb");

2.1.2 具體完善

1）GPIO寄存器宏定義

需要配置相關(guān)的寄存器，就要對照著LED這個GPIO的硬件按需配置。

有關(guān)GPIO的各種寄存器的使用原理介紹，請參考上篇文章的介紹。

/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)	
#define SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE    (0X02290014)
#define SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE    (0X02290058)
#define GPIO5_DR_BASE				(0X020AC000)
#define GPIO5_GDIR_BASE				(0X020AC004)

/* 映射后的寄存器虛擬地址指針 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_SNVS_TAMPER3;
static void __iomem *SW_PAD_SNVS_TAMPER3;
static void __iomem *GPIO5_DR;
static void __iomem *GPIO5_GDIR;

CCM 是用來進(jìn)行時鐘的使能，其寄存器包括CCGR0~CCGR6，因為LED用到GPIO屬于GPIO5，它對應(yīng)的時鐘配置寄存器就是CCM_CCGR1

MUX 是用來將IO復(fù)用為GPIO

PAD 是用來配置IO的基本參數(shù)（驅(qū)動能力、壓擺率、上下拉等）

GPIO5_DR 數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)GPIO為輸出模式時，用來設(shè)置對應(yīng)的高低電平

GPIO5_GDIR 方向寄存器，用來設(shè)置輸入還是輸出

以上是先對這些需要使用的寄存器的地址聲明宏定義（這些寄存器的地址可通過查閱i.MX6ULL數(shù)據(jù)手冊得到），然后再聲明對應(yīng)的虛擬地址的指針，因為Linux開始MMU后，就不能直接對寄存器的地址直接操作了，需要使用映射后的虛擬地址。

2）GPIO硬件初始化

主要包括以下幾步：

寄存器地址映射：將需要用的寄存器的物理地址映射為虛擬地址

使能GPIO1時鐘：就是配置CCM_CCGR1寄存器

設(shè)置GPIO5_IO03的復(fù)用功能：配置MUX和PAD寄存器

設(shè)置GPIO5_IO03為輸出功能：配置GPIO5_GDIR方向寄存器

初始默認(rèn)關(guān)閉LED：配置GPIO5_DR數(shù)據(jù)寄存器

具體配置過程如下，主要這里使用"與"和"或"的位運(yùn)算操作，來配置寄存器中對應(yīng)位的值。

static void led_hardware_init(void)
{
    u32 val = 0;
        
    /* 1、寄存器地址映射 */
    IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
    SW_MUX_SNVS_TAMPER3 = ioremap(SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE, 4);
    SW_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE, 4);
    GPIO5_DR = ioremap(GPIO5_DR_BASE, 4);
    GPIO5_GDIR = ioremap(GPIO5_GDIR_BASE, 4);

    /* 2、使能GPIO1時鐘 */
    val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
    val &= ~(3 << 26);    /* 清除以前的設(shè)置 */
    val |= (3 << 26);    /* 設(shè)置新值 */
    writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

    /* 3、設(shè)置GPIO5_IO03的復(fù)用功能，將其復(fù)用為GPIO5_IO03，最后設(shè)置IO屬性 */
    writel(5, SW_MUX_SNVS_TAMPER3);
    
    /*寄存器SW_PAD_SNVS_TAMPER3設(shè)置IO屬性
     *bit 16:0 HYS關(guān)閉
     *bit [15:14]: 00 默認(rèn)下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 關(guān)閉開路輸出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驅(qū)動能力
     *bit [0]: 0 低轉(zhuǎn)換率
     */
    writel(0x10B0, SW_PAD_SNVS_TAMPER3);

    /* 4、設(shè)置GPIO5_IO03為輸出功能 */
    val = readl(GPIO5_GDIR);
    val &= ~(1 << 3);    /* 清除以前的設(shè)置 */
    val |= (1 << 3);    /* 設(shè)置為輸出 */
    writel(val, GPIO5_GDIR);

    /* 5、默認(rèn)關(guān)閉LED */
    val = readl(GPIO5_DR);
    val |= (1 << 3);    
    writel(val, GPIO5_DR);
}

3）字符設(shè)備初始化

需要定義led字符設(shè)備結(jié)構(gòu)體，來管理這個led設(shè)備。

/*newchr設(shè)備結(jié)構(gòu)體 */
struct newchrled_dev{
    dev_t         devid;    /* 設(shè)備號   */
    struct cdev   cdev;     /* cdev     */
    struct class  *class;   /* 類       */
    struct device *device;  /* 設(shè)備     */
    int           major;    /* 主設(shè)備號 */
    int           minor;    /* 次設(shè)備號 */
};

struct newchrled_dev chrdevled; /* led設(shè)備 */

具體的led字符設(shè)備初始化流程:

初始化LED的GPIO（上面剛介紹）

創(chuàng)建設(shè)備號

初始化cdev字符設(shè)備

添加cdev字符設(shè)備

創(chuàng)建類

創(chuàng)建設(shè)備

static int __init chrdevled_init(void)
{
    /* 初始化LED */
    led_hardware_init();

    /* 注冊字符設(shè)備驅(qū)動 */
    /* 1、創(chuàng)建設(shè)備號 */
    if (chrdevled.major) /* 定義了設(shè)備號 */
    {
        chrdevled.devid = MKDEV(chrdevled.major, 0);
        register_chrdev_region(chrdevled.devid, chrdevled_CNT, chrdevled_NAME);
    } 
    else /* 沒有定義設(shè)備號 */
    {
        alloc_chrdev_region(&chrdevled.devid, 0, chrdevled_CNT, chrdevled_NAME);    /* 申請設(shè)備號 */
        chrdevled.major = MAJOR(chrdevled.devid);    /* 獲取分配號的主設(shè)備號 */
        chrdevled.minor = MINOR(chrdevled.devid);    /* 獲取分配號的次設(shè)備號 */
    }
    printk("chrdevled major=%d,minor=%d\n",chrdevled.major, chrdevled.minor);    
    
    /* 2、初始化cdev */
    chrdevled.cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&chrdevled.cdev, &chrdevled_fops);
    
    /* 3、添加一個cdev */
    cdev_add(&chrdevled.cdev, chrdevled.devid, chrdevled_CNT);

    /* 4、創(chuàng)建類 */
    chrdevled.class = class_create(THIS_MODULE, chrdevled_NAME);
    if (IS_ERR(chrdevled.class)) 
    {
        return PTR_ERR(chrdevled.class);
    }

    /* 5、創(chuàng)建設(shè)備 */
    chrdevled.device = device_create(chrdevled.class, NULL, chrdevled.devid, NULL, chrdevled_NAME);
    if (IS_ERR(chrdevled.device)) 
    {
        return PTR_ERR(chrdevled.device);
    }
    
    printk("chrdevled init done!\n");
    return 0;
}

4）LED亮滅控制

驅(qū)動程序中，對于LED的控制，可以分為兩步。

第一步是接收和解析應(yīng)用層發(fā)來的控制數(shù)據(jù)（0或1來控制亮滅），將控制參數(shù)傳遞給具體的開關(guān)led的函數(shù)：

static ssize_t chrdevled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    unsigned char databuf[1];
    unsigned char ledstat;
    
    /* 接收用戶空間傳遞給內(nèi)核的數(shù)據(jù)并且打印出來 */
    if(0 != copy_from_user(databuf, buf, cnt))
    {
        printk("kernel recevdata failed!\n");
        return -EFAULT;
    }
    
    ledstat = databuf[0];        /* 獲取狀態(tài)值 */

    if(ledstat == LEDON) 
    {    
        led_switch(LEDON);        /* 打開LED燈 */
        printk("led on!\n");
    } 
    else if(ledstat == LEDOFF) 
    {
        led_switch(LEDOFF);       /* 關(guān)閉LED燈 */
        printk("led off!\n");
    }
    
    return 0;
}

第二步就是根據(jù)指令參數(shù)，通過控制數(shù)據(jù)寄存器GPIO5_DR來實現(xiàn)GPIO的高低電平輸出，從而實現(xiàn)LED的亮滅：

void led_switch(u8 sta)
{
    u32 val = 0;
    if(sta == LEDON) 
    {
        val = readl(GPIO5_DR);
        val &= ~(1 << 3);    
        writel(val, GPIO5_DR);
    }
    else if(sta == LEDOFF) 
    {
        val = readl(GPIO5_DR);
        val|= (1 << 3);    
        writel(val, GPIO5_DR);
    }    
}

5）驅(qū)動退出

驅(qū)動不再使用時，需要注銷相關(guān)的設(shè)備：

static void led_hardware_exit(void)
{
    iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
    iounmap(SW_MUX_SNVS_TAMPER3);
    iounmap(SW_PAD_SNVS_TAMPER3);
    iounmap(GPIO5_DR);
    iounmap(GPIO5_GDIR);
}

首先釋放掉這些地址映射：

static void __exit chrdevled_exit(void)
{
    /* 取消IO映射 */
    led_hardware_exit();
    
    /* 注銷字符設(shè)備驅(qū)動 */
    cdev_del(&chrdevled.cdev);/*  刪除cdev */
    unregister_chrdev_region(chrdevled.devid, chrdevled_CNT); /* 注銷設(shè)備號 */

    device_destroy(chrdevled.class, chrdevled.devid);
    class_destroy(chrdevled.class);
    
    printk("chrdevled exit done!\n");
}

驅(qū)動程序基本就是這些，完整的程序見我的gitee倉庫：https://gitee.com/xxpcb/imx6ull

2.2 LED應(yīng)用程序

寫完了驅(qū)動程序（BSP），還要寫對應(yīng)的應(yīng)用程序（APP）。

目前的應(yīng)用程序比較簡短，因為在Linux中，一切皆文件，所以，對于LED的控制，就是通過向文件中寫入0或1來實現(xiàn)LED的亮滅。

先來對0和1進(jìn)行宏定義：

#define LEDOFF  0 /*長滅*/
#define LEDON   1 /*長亮*/

然后就是main函數(shù)了：

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];

    /* 打開led驅(qū)動文件 */
    fd  = open(filename, O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
        printf("Can't open file %s\r\n", filename);
        return -1;
    }
    
    /* 要執(zhí)行的操作：打開或關(guān)閉 */
    databuf[0] = atoi(argv[2]); 
    
    /* 向設(shè)備驅(qū)動(/dev/chrdevled)寫數(shù)據(jù) */
    retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
    if(retvalue < 0)
    {
        printf("write file %s failed!\r\n", filename);
        close(fd);
        return -1;
    }

    /* 關(guān)閉設(shè)備 */
    retvalue = close(fd);
    if(retvalue < 0)
    {
        printf("Can't close file %s\r\n", filename);
        return -1;
    }

    return 0;
}

3 實驗測試

3.1 程序編譯與下載

再來復(fù)習(xí)一下基本步驟：

ubuntu中通過gcc交叉編譯器編譯出led的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序

搭建局域網(wǎng)環(huán)境（電腦和linux板子連接到同一個路由器下，Linux板子以及燒錄了鏡像文件，能夠正常運(yùn)行）

通過tftp服務(wù)將兩個文件發(fā)送到linux板子的對應(yīng)目錄中（/lib/modules/4.1.15目錄）

進(jìn)行字符設(shè)備的加載，以及文件讀寫測試（控制led亮滅）

程序的具體編譯過程與之前的類似，這里不再贅述，可參考之前的文章（如這篇：【i.MX6ULL】驅(qū)動開發(fā)2--新字符設(shè)備開發(fā)模板）

3.2 實驗現(xiàn)象

首先來看一下板子上LED的位置，如下圖的電路上的標(biāo)號D14處：

然后在串口中，按照之前介紹字符設(shè)備的加載流程，先加載led字符設(shè)備，然后就可以下向應(yīng)用程序?qū)?或0來控制led的亮滅了。

led點亮的效果如下：

4 總結(jié)

本篇主要介紹了如何通過操作寄存器來點亮i.MX6ULL開發(fā)板上的led，通過編寫LED對應(yīng)的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，實現(xiàn)程序設(shè)計的分層。

因為Linux使用了MMU進(jìn)行虛擬地址管理，因此在操作寄存器時，要進(jìn)行地址映射后再操作。最后通過程序的實際測試，驗證了led的亮滅功能。

審核編輯：符乾江