一、Linux 下的 LED 驱动原理
Linux 下的任何驱动，最后都是要配置相应的硬件寄存器。
1. 地址映射
MMU 全称叫做 MemoryManage Unit，也就是内存管理单元。 现在的 Linux 支持无 MMU 处理器。MMU 主要完成的功能为：
1、完成虚拟空间到物理空间的映射。
2、内存保护，设置存储器的访问权限，设置虚拟存储空间的缓冲特性。
虚拟空间到物理空间的映射其实就是 地址映射。 虚拟地址(VA,Virtual Address)、物理地址(PA， Physcical Address)。对于 32位的处理器来说，虚拟地址范围是 2^32=4GB，我们的开发板上有 1GB 的 DDR3，这 1GB 的内存就是物理内存，经过 MMU 可以将其映射到整个 4GB 的虚拟空间：
Linux 内核启动的时候会初始化 MMU，设置好内存映射，设置好以后 CPU 访问的都是虚拟地址。比如 STM32MP157 的 PI0 引脚的端口模式寄存器 GPIOI_MODER 物理地址为0x5000A000。如果没有开启 MMU 的话直接向 0x5000A000 这个寄存器地址写入数据就可以配置 PI0 的引脚功能(输入、输出、复用或模拟等)。
那有人会有疑惑，那为什么要开启MMU呢？开启 MMU 使得操作系统能够更好地管理内存资源、提供虚拟内存、实施内存保护和权限控制，并提供了更高效、安全、灵活的内存访问方式。总而言之，开启 MMU 的好处大大滴。
现在开启了 MMU，并且设置了内存映射，因此就不能直接向 0x5000A000 这个地址写入数据了。我们必须得到 0x5000A000 这个物理地址在Linux 系统里面对应的虚拟地址，这里就涉及到了物理内存和虚拟内存之间的转换，需要用到
两个函数： ioremap 和 iounmap。
① ioremap 函数
/*
* @description : 获取指定物理地址空间对应的虚拟地址空间
* @param - res_cookie : 映射的物理起始地址
* @param - size : 映射的内存空间大小
* @return : __iomem 类型的指针,指向映射后的虚拟空间首地址
* __iomen:可以修饰指针类型，将其标记为 I/O 内存指针， I/O 内存指针目的是告知编译器该指针指向的内存区域用于与 I/O 设备进行直接交互，需要采取特殊的读写方式和对齐规则
*/
void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size)
{
return arch_ioremap_caller(res_cookie, size, MT_DEVICE, __builtin_return_address(0));
}如果需要 STM32MP157-ATK 的 GPIOI_MODER 寄存器对应的虚拟地址 ，代码如下：
#define GPIOI_MODER (0X5000A000)
static void __iomen *GPIO_MODER_PI;
GPIO_MODER_PI = ioremap(GPIOI_MODER, 4);宏 GPIOI_MODER 是寄存器物理地址， GPIO_MODER_PI 是映射后的虚拟地址。对于 STMP32MP157 来说一个寄存器是 4 字节(32 位)，因此映射的内存长度为 4。映射完成以后直接对 GPIO_MODER_PI 进行读写操作即可。
② iounmap 函数
卸载驱动的时候需要使用 iounmap 函数释放掉 ioremap 函数所做的映射：
/*
* @description : 释放 ioremap 所做的映射
* @param - addr : 取消映射的虚拟地址空间首地址
*/
void iounmap (volatile void __iomem *addr);比如现在要卸载 GPIO_MODER_PI 寄存器的地址映射：
iounmap(GPIO_MODER_PI);
2. I/O 内存访问函数
I/O 是输入/输出的意思， 这里涉及到两个概念： I/O 端口和 I/O 内存。当外部寄存器或内存映射到 IO 空间时，称为 I/O 端口。当外部寄存器或内存映射到内存空间时，称为 I/O 内存。 但 ARM 空间只有 I/O 内存。Linux 内核建议使用一组操作函数来对映射后的内存进行读写操作。
① 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);
/*
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。
*/
②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);
/*
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。
*/
二、硬件原理图分析
LED0 接到了 PI0 上， PI0 就是 GPIOI 组的第 0 个引脚，当 PI0 输出低电平(0)的时候发光二极管 LED0 就会导通点亮，当 PI0 输出高电平(1)的时候发光二极管LED0 不会导通，因此 LED0 也就不会点亮。所以 LED0 的亮灭取决于 PI0 的输出电平，输出 0 就亮，输出 1 就灭。
三、实验程序编写
1. LED 驱动程序编写
#include <linux/types.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/model.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#define LED_MAJOR 200 /* 主设备号 */
#define LED_NAME "led" /* 设备名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 */
/* 寄存器物理地址 */
#define PERIPH_BASE (0x40000000)
#define MPU_AHB4_PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000000)
#define RCC_BASE (MPU_AHB4_PERIPH_BASE + 0x0000)
#define RCC_MP_AHB4ENSETR (RCC_BASE + 0XA28)
#define GPIOI_BASE (MPU_AHB4_PERIPH_BASE + 0xA000)
#define GPIOI_MODER (GPIOI_BASE + 0x0000)
#define GPIOI_OTYPER (GPIOI_BASE + 0x0004)
#define GPIOI_OSPEEDR (GPIOI_BASE + 0x0008)
#define GPIOI_PUPDR (GPIOI_BASE + 0x000C)
#define GPIOI_BSRR (GPIOI_BASE + 0x0018)
/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI;
static void __iomem *GPIOI_MODER_PI;
static void __iomem *GPIOI_OTYPER_PI;
static void __iomem *GPIOI_OSPEEDR_PI;
static void __iomem *GPIOI_PUPDR_PI;
static void __iomem *GPIOI_BSRR_PI;
static char readbuf[100];
static char led_state[] = {"LED Init OK!"};
/*
* @description : LED 打开/关闭
* @param - sta : LEDON(0) 打开 LED， LEDOFF(1) 关闭 LED
* @return : 无
*/
void led_switch(u8 sta)
{
u32 val = 0;
if (sta == LEDON)
{
val = readl(GPIOI_BSRR_PI);
val |= (1 << 16);
writel(val, GPIOI_BSRR_PI);
}
else if (sta == LEDOFF)
{
val = readl(GPIOI_BSRR_PI);
val |= (1 << 0);
writel(val, GPIOI_BSRR_PI);
}
}
/*
* @description : 取消映射
* @return : 无
*/
void led_unmap(void)
{
iounmap(MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI);
iounmap(GPIOI_MODER_PI);
iounmap(GPIOI_OTYPER_PI);
iounmap(GPIOI_OSPEEDR_PI);
iounmap(GPIOI_PUPDR_PI);
iounmap(GPIOI_BSRR_PI);
}
/*
* @description : 打开设备
* @param - inod : 传递给驱动的 inode
* @param - filp : 设备文件， file 结构体有个叫做 private_data 的成员变量
* 一般在 open 的时候将 private_data 指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int led_open(struct inode *inod, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
memcpy(readbuf, led_state, sizeof(led_state));
retvalue = copy_to_user(buf, readbuf, cnt);
if (retvalue == 0)
{
printk("kernel led ok\r\n");
}
else
{
printk("kernel led failed\r\n");
}
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsigned char databuf[1];
unsigned char ledstate;
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if (retvalue < 0)
{
printk("kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
ledstate = databuf[0]; // 获取状态值
if (ledstate == LEDON)
{
led_switch(LEDON);
}
else if (ledstate == LEDOFF)
{
led_switch(LEDOFF);
}
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int led_release(sturct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations led_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_open,
.read = led_read,
.write = led_write,
.release = led_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init led_init(void)
{
int retvalue = 0;
u32 val = 0;
/* 初始化 LED */
/* 1.寄存器地址映射 */
MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI = ioremap(RCC_MP_AHB4ENSETR, 4);
GPIOI_MODER_PI = ioremap(GPIOI_MODER, 4);
GPIOI_OTYPER_PI = ioremap(GPIOI_OTYPER, 4);
GPIOI_OSPEEDR_PI = ioremap(GPIOI_OSPEEDR, 4);
GPIOI_PUPDR_PI = ioremap(GPIOI_PUPDR, 4);
GPIOI_BSRR_PI = ioremap(GPIOI_BSRR, 4);
/* 2.使能 PI 时钟 */
val = readl(MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI);
val &= ~(0x1 << 8); // 清除以前的设置
val |= (0x1 << 8); // 设置新值
/* 3.设置 PI0 通用的输出模式 */
val = readl(GPIOI_MODER_PI);
val &= ~(0x3 << 0); // bit0:1 清零
val |= (0x1 << 0); // bit0:1 设置为01
writel(val, GPIOI_MODER_PI);
/* 3.设置 PI0 为推挽模式 */
val = readl(GPIOI_MODER_PI);
val &= ~(0x1 << 0); // bit0 清零，设置为推挽模式
writel(val, GPIOI_MODER_PI);
/* 4.设置 PI0 为高速 */
val = readl(GPIOI_OSPEEDR_PI);
val &= ~(0x3 << 0); // bit0:1 清零
val |= (0x2 << 0); // bit0:1 设置为10
writel(val, GPIOI_OSPEEDR_PI);
/* 5.设置 PI0 为上拉 */
val = readl(GPIOI_PUPDR_PI);
val &= ~(0x3 << 0); // bit0:1 清零
val |= (0x1 << 0); // bit0:1 设置为 01
writel(val, GPIOI_PUPDR_PI);
/* 6.默认关闭 LED */
val = readl(GPIOI_BSRR_PI);
val |= (0x1 << 0);
writel(val, GPIOI_BSRR_PI);
/* 7.注册字符设备驱动 */
retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
if(retvalue < 0)
{
printk("register chrdev failed!\r\n");
goto fail_map;
}
return 0;
fail_map:
led_unmap();
return -EIO;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit led_exit(void)
{
led_unmap(); // 取消映射
unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME); // 注销字符设备驱动
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_AUTHOR("GPL");
MODULE_AUTHOR("LXS");
MODULES_INFO(intree, "Y");
2. 测试 APP
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#define LEDOFF 0
#define LEDON 1
/*
* @description : main 主程序
* @param - argc : argv 数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retvalue;
char *filename;
char readbuf[100];
unsigned char databuf[1];
if (argc != 3)
{
printf("Error Usage\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
/* 打开 led 驱动 */
fd = open(filename, O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("file %s oepn failed\r\n", filename);
return -1;
}
databuf[0] = atoi(argv[2]); // 要执行的操作：打开或关闭
/* 向/dev/led 文件写入数据 */
retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
if (retvalue < 0)
{
printf("led Control Failed\r\n");
close(fd);
return -1;
}
/* 关闭文件 */
retvalue = close(fd);
if (retvalue < 0)
{
printf("file %s close failed\r\n", filename);
return -1;
}
return 0;
}
三、运行测试
1. 编译驱动程序
依然是利用 Makefile 文件把 chrdevbase.c 编译为 chrdevbase.ko 模块：
KERNELDIR := /home/alientek/linux/atk-mpl/linux/my_linux/linux-5.4.31 # Linux内核源码路径
CURRENT_PATH := $(shell pwd) # 获取当前所处路径
obj-m := led.o
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean之后在 /linux/atk-mpl/Drivers/2_led 路径下输入：
make -j32
2. 编译测试 APP
因为要在 ARM 上面运行，所以要用交叉编译器：
arm-none-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp
3. 运行测试
将 led.ko 和 ledApp 拷贝到 /linux/nfs/rootfs/lib/modules/5.4.31 路径下：
sudo cp ledApp led.ko /home/alientek/linux/nfs/rootfs/lib/modules/5.4.31/ -f
加载 led.ko 驱动模块：ls
depmod
modprobe led # 加载驱动
lsmod # 查看加载的驱动 
驱动加载成功后创建 "/dev/led" 设备节点：
mknod /dev/led c 200 0输入以下命令测试 LED：
# 打开 LED
./ledApp /dev/led 1
# 关闭 LED
./ledApp /dev/led 0如果开发版的红色 LED 能打开和关闭说明测试成功。卸载驱动：
rmmod led.ko