Linux 驱动开发基础知识—— 具体单板的 LED 驱动程序（五）

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文章介绍：

🎉本篇文章对Linux驱动基础学习的相关知识进行分享！🥳🥳🥳

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目录：

目录

一、怎么写 LED 驱动程序？

1.1 ioremap 函数的使用：

1.1.1 函数原型：

1.1.2 作用：

1.1.3 不再使用该段虚拟地址时，要 iounmap(virt_addr)：

1.1.4为什么需要映射为虚拟地址

1.2 volatile 函数的使用：

二、IMX6ULL 的 LED 驱动程序

2.1 led 原理图

2.2 所涉及的寄存器操作

2.3 代码操作硬件

编辑

2.3.1使能 GPIO5

2.3.2 设置 GPIO5_IO03 为 GPIO 模式

2.3.3 设置 GPIO5_IO03 为输出引脚，设置其输出电平

三、写程序

3.1 led_opr.h

3.2 board_100ask_imx6ull.c

3.3 leddrv.c

3.4 ledtest.c

3.5 Makefile

四、上机测试

4.1编译

4.2 挂载到开发板

4.3 测试

4.4 实验效果

一、怎么写 LED 驱动程序？

详细步骤如下：

（1）看原理图确定引脚，确定引脚输出什么电平才能点亮/熄灭 LED

（2）看主芯片手册，确定寄存器操作方法：哪些寄存器？哪些位？地址是？

（3）编写驱动：先写框架，再写硬件操作的代码

注意：在芯片手册中确定的寄存器地址被称为物理地址，在 Linux 内核中无法直接使用。需要使用内核提供的 ioremap 把物理地址映射为虚拟地址，使用虚拟地址。

1.1 ioremap 函数的使用：

1.1.1 函数原型：

void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size)

使用时，要包含头文件：

#include <asm/io.h>

1.1.2 作用：

把物理地址 phys_addr 开始的一段空间(大小为 size)，映射为虚拟地址；返回值是该段虚拟地址的首地址。

virt_addr = ioremap(phys_addr, size);

实际上，它是按页(4096 字节)进行映射的，是整页整页地映射的。假设 phys_addr = 0x10002，size=4，ioremap 的内部实现是：

（1） phys_addr 按页取整，得到地址 0x10000

（2） size 按页取整，得到 4096

（3）把起始地址 0x10000，大小为 4096 的这一块物理地址空间，映射到虚拟地址空间，假设得到的虚拟空间起始地址为 0xf0010000

（4）那么 phys_addr = 0x10002 对应的 virt_addr = 0xf0010002

1.1.3 不再使用该段虚拟地址时，要 iounmap(virt_addr)：

void iounmap(volatile void __iomem *cookie)

1.1.4为什么需要映射为虚拟地址

1.2 volatile 函数的使用：

编译器很聪明，会帮我们做些优化，比如：

int a;
a = 0; // 这句话可以优化掉，不影响 a 的结果
a = 1;

有时候编译器会自作聪明，比如：

int *p = ioremap(xxxx, 4); // GPIO 寄存器的地址
*p = 0; // 点灯，但是这句话被优化掉了
*p = 1; // 灭灯

对于上面的情况，为了避免编译器自动优化，需要加上 volatile，告诉它 “这是容易出错的，别乱优化”：

volatile int *p = ioremap(xxxx, 4); // GPIO 寄存器的地址
*p = 0; // 点灯，这句话不会被优化掉
*p = 1; // 灭灯

二、IMX6ULL 的 LED 驱动程序

2.1 led 原理图

LED 原理图，它使用 GPIO5_IO03，引脚输出低电平时 LED 被点亮，输出高电平时 LED 被熄灭：

2.2 所涉及的寄存器操作

2.3 代码操作硬件

2.3.1使能 GPIO5

设置 b[31:30]就可以使能 GPIO5

注意：在 imx6ullrm.pdf 中，CCM_CCGR1 的 b[31:30]是保留位，不去设置 b[31:30]，GPIO5 也是默认使能的。

设置为 0b11：

00：该 GPIO 模块全程被关闭

01：该 GPIO 模块在 CPU run mode 情况下是使能的；在 WAIT 或 STOP 模式下，关闭

10：保留

11：该 GPIO 模块全程使能

/* GPIO5_IO03 */
/* a. 使能 GPIO5
* set CCM to enable GPIO5
* CCM_CCGR1[CG15] 0x20C406C
* bit[31:30] = 0b11
*/

2.3.2 设置 GPIO5_IO03 为 GPIO 模式

设置如下寄存器：

/* b. 设置 GPIO5_IO03 用于 GPIO
* set IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3
* to configure GPIO5_IO03 as GPIO
* IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 0x2290014
* bit[3:0] = 0b0101 alt5
*/

2.3.3 设置 GPIO5_IO03 为输出引脚，设置其输出电平

设置 GPIO5_IO03 为输出引脚，寄存器地址为：

设置方向寄存器，方向寄存器，把引脚设置为输出引脚：

设置数据寄存器，设置引脚的输出电平：

/* c. 设置 GPIO5_IO03 作为 output 引脚
* set GPIO5_GDIR to configure GPIO5_IO03 as output
* GPIO5_GDIR 0x020AC000 + 0x4
* bit[3] = 0b1
*/
/* d. 设置 GPIO5_DR 输出低电平
* set GPIO5_DR to configure GPIO5_IO03 output 0
* GPIO5_DR 0x020AC000 + 0
* bit[3] = 0b0
*/
/* e. 设置 GPIO5_IO3 输出高电平
* set GPIO5_DR to configure GPIO5_IO03 output 1
* GPIO5_DR 0x020AC000 + 0
* bit[3] = 0b1
*/

三、写程序

3.1 led_opr.h

#ifndef _LED_OPR_H
#define _LED_OPR_Hstruct led_operations {int num;int (*init) (int which); /* 初始化LED, which-哪个LED */       int (*ctl) (int which, char status); /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
};struct led_operations *get_board_led_opr(void);#endif

3.2 board_100ask_imx6ull.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 <asm/io.h>#include "led_opr.h"static volatile unsigned int *CCM_CCGR1                              ;
static volatile unsigned int *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3;
static volatile unsigned int *GPIO5_GDIR                             ;
static volatile unsigned int *GPIO5_DR                               ;static int board_demo_led_init (int which) /* 初始化LED, which-哪个LED */       
{unsigned int val;//printk("%s %s line %d, led %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which);if (which == 0){if (!CCM_CCGR1){CCM_CCGR1                               = ioremap(0x20C406C, 4);IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(0x2290014, 4);GPIO5_GDIR                              = ioremap(0x020AC000 + 0x4, 4);GPIO5_DR                                = ioremap(0x020AC000 + 0, 4);}/* GPIO5_IO03 *//* a. 使能GPIO5* set CCM to enable GPIO5* CCM_CCGR1[CG15] 0x20C406C* bit[31:30] = 0b11*/*CCM_CCGR1 |= (3<<30);/* b. 设置GPIO5_IO03用于GPIO* set IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3*      to configure GPIO5_IO03 as GPIO* IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3  0x2290014* bit[3:0] = 0b0101 alt5*/val = *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3;val &= ~(0xf);val |= (5);*IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = val;/* b. 设置GPIO5_IO03作为output引脚* set GPIO5_GDIR to configure GPIO5_IO03 as output* GPIO5_GDIR  0x020AC000 + 0x4* bit[3] = 0b1*/*GPIO5_GDIR |= (1<<3);}return 0;
}static int board_demo_led_ctl (int which, char status) /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
{//printk("%s %s line %d, led %d, %s\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, status ? "on" : "off");if (which == 0){if (status) /* on: output 0*/{/* d. 设置GPIO5_DR输出低电平* set GPIO5_DR to configure GPIO5_IO03 output 0* GPIO5_DR 0x020AC000 + 0* bit[3] = 0b0*/*GPIO5_DR &= ~(1<<3);}else  /* off: output 1*/{/* e. 设置GPIO5_IO3输出高电平* set GPIO5_DR to configure GPIO5_IO03 output 1* GPIO5_DR 0x020AC000 + 0* bit[3] = 0b1*/ *GPIO5_DR |= (1<<3);}}return 0;
}static struct led_operations board_demo_led_opr = {.num  = 1,.init = board_demo_led_init,.ctl  = board_demo_led_ctl,
};struct led_operations *get_board_led_opr(void)
{return &board_demo_led_opr;
}

它首先构造了一个 led_operations 结构体，用来表示 LED 的硬件操作：
static struct led_operations board_demo_led_opr = {.num  = 1,.init = board_demo_led_init,.ctl  = board_demo_led_ctl,
};

led_operations 结构体中有init函数指针 ，它指向board_demo_led_init 函数，在里面将会初始化 LED 引脚：使能、设置为 GPIO 模式、设置为输出引脚。

第 35～38 行，对于寄存器要先使用 ioremap 得到它的虚拟地址，以后使用虚拟地址访问寄存器：

static volatile unsigned int *CCM_CCGR1                              ;
static volatile unsigned int *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3;
static volatile unsigned int *GPIO5_GDIR                             ;
static volatile unsigned int *GPIO5_DR                               ;static int board_demo_led_init (int which) /* 初始化LED, which-哪个LED */       
{unsigned int val;//printk("%s %s line %d, led %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which);if (which == 0){if (!CCM_CCGR1){CCM_CCGR1                               = ioremap(0x20C406C, 4);IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(0x2290014, 4);GPIO5_GDIR                              = ioremap(0x020AC000 + 0x4, 4);GPIO5_DR                                = ioremap(0x020AC000 + 0, 4);}/* GPIO5_IO03 *//* a. 使能GPIO5* set CCM to enable GPIO5* CCM_CCGR1[CG15] 0x20C406C* bit[31:30] = 0b11*/*CCM_CCGR1 |= (3<<30);/* b. 设置GPIO5_IO03用于GPIO* set IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3*      to configure GPIO5_IO03 as GPIO* IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3  0x2290014* bit[3:0] = 0b0101 alt5*/val = *IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3;val &= ~(0xf);val |= (5);*IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3 = val;/* b. 设置GPIO5_IO03作为output引脚* set GPIO5_GDIR to configure GPIO5_IO03 as output* GPIO5_GDIR  0x020AC000 + 0x4* bit[3] = 0b1*/*GPIO5_GDIR |= (1<<3);}return 0;
}

led_operations 结构体中有 ctl 函数指针，它指向 board_demo_led_ctl 函数，在里面将会根据参数设置 LED 引脚的输出电平：

static int board_demo_led_ctl (int which, char status) /* 控制LED, which-哪个LED, status:1-亮,0-灭 */
{//printk("%s %s line %d, led %d, %s\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, which, status ? "on" : "off");if (which == 0){if (status) /* on: output 0*/{/* d. 设置GPIO5_DR输出低电平* set GPIO5_DR to configure GPIO5_IO03 output 0* GPIO5_DR 0x020AC000 + 0* bit[3] = 0b0*/*GPIO5_DR &= ~(1<<3);}else  /* off: output 1*/{/* e. 设置GPIO5_IO3输出高电平* set GPIO5_DR to configure GPIO5_IO03 output 1* GPIO5_DR 0x020AC000 + 0* bit[3] = 0b1*/ *GPIO5_DR |= (1<<3);}}return 0;
}

下面的 get_board_led_opr 函数供上层调用，给上层提供led_operations 结构体：
struct led_operations *get_board_led_opr(void)
{return &board_demo_led_opr;
}

3.3 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. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *led_class;
struct led_operations *p_led_opr;#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);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 *inode = file_inode(file);int minor = iminor(inode);printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);err = copy_from_user(&status, buf, 1);/* 根据次设备号和status控制LED */p_led_opr->ctl(minor, status);return 1;
}static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{int minor = iminor(node);printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/* 根据次设备号初始化LED */p_led_opr->init(minor);return 0;
}static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
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,
};/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
static int __init led_init(void)
{int err;int i;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_drv);  /* /dev/led */led_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_led_class");err = PTR_ERR(led_class);if (IS_ERR(led_class)) {printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);unregister_chrdev(major, "led");return -1;}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, "100ask_led%d", i); /* /dev/100ask_led0,1,... */return 0;
}/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit led_exit(void)
{int i;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);for (i = 0; i < p_led_opr->num; i++)device_destroy(led_class, MKDEV(major, i)); /* /dev/100ask_led0,1,... */device_destroy(led_class, MKDEV(major, 0));class_destroy(led_class);unregister_chrdev(major, "100ask_led");
}/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */module_init(led_init);
module_exit(led_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

第98~101行：获取灯的个数

p_led_opr = get_board_led_opr();        //获得单板提供的结构体for (i = 0; i < p_led_opr->num; i++)    //获取灯的个数device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, i), NULL, "100ask_led%d", i); /* /dev/100ask_led0,1,... */

3.4 ledtest.c


#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>/** ./ledtest /dev/100ask_led0 on* ./ledtest /dev/100ask_led0 off*/
int main(int argc, char **argv)
{int fd;char status;/* 1. 判断参数 */if (argc != 3) {printf("Usage: %s <dev> <on | off>\n", argv[0]);return -1;}/* 2. 打开文件 */fd = open(argv[1], O_RDWR);if (fd == -1){printf("can not open file %s\n", argv[1]);return -1;}/* 3. 写文件 */if (0 == strcmp(argv[2], "on")){status = 1;write(fd, &status, 1);}else{status = 0;write(fd, &status, 1);}close(fd);return 0;
}

3.5 Makefile


# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88all:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules $(CROSS_COMPILE)gcc -o ledtest ledtest.c clean:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules cleanrm -rf modules.orderrm -f ledtest# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o# leddrv.c board_100ask_imx6ull.c 编译成 100ask_led.ko
100ask_led-y := leddrv.o board_100ask_imx6ull.o
obj-m	+= 100ask_led.o

内核路径：

四、上机测试

4.1编译

编译程序，把代码上传代服务器后执行 make 命令。

cp 100ask_led.ko ledtest.c ~/nfs_rootfs/

4.2 挂载到开发板

在开发板上挂载 NFS

4.3 测试

注意：如果要使用板子自带的系统，需要关闭原有 LED 驱动，也是进入开发板/sys/class/leds/目录，对于每一个 LED 在该目录下都有一个子目录，假设某个子目录名为 XXX，则执行如下命令：

[root@100ask:~]# echo none > /sys/class/leds/XXX/trigger

使用我们的系统时，要先禁止内核中原来的 LED 驱动，把“heatbeat”功能关闭，执行以下命令即可：

[root@100ask:~]# echo none > /sys/class/leds/cpu/trigger

这样就可以使用我们的驱动程序做操作了：

[root@100ask:~]#insmod 100ask_led.ko
[root@100ask:~]#/ledtest /dev/100ask_led0 on
[root@100ask:~]#/ledtest /dev/100ask_led0 off

如果想恢复原来的心跳功能，可以执行：

[root@100ask:~]#echo heartbeat > /sys/class/leds/cpu/trigger

[root@100ask:/mnt]# ls /dev/100ask_led0* -l                    //查询驱动
crw------- 1 root root 240, 0 Jan  1 00:08 /dev/100ask_led0    //查询结果
[root@100ask:/mnt]# ./ledtest /dev/100ask_led0 on              //打开灯
[root@100ask:/mnt]# ./ledtest /dev/100ask_led0 off             //关闭灯