正点原子嵌入式linux驱动开发——LED驱动开发

在上一篇笔记中，详细的讲解了字符设备驱动开发步骤，并且用一个虚拟的chrdevbase设备为例完成了第一个字符设备驱动的开发 。本章就开始编写第一个真正的Linux字符设备驱动。在正点原子STM32MP157开发板上有一个LED灯，本章就学习一下如何编写Linux下的LED灯驱动。

Linux下LED灯驱动原理

Linux下的任何外设驱动，最终都是要配置相应的硬件寄存器。所以LED灯驱动最终也是对STM32MP157 的IO口进行配置，与裸机实验不同的是，在Linux下编写驱动要符合Linux的驱动框架 。开发板上的LED0连接到STM32MP157的PI0这个引脚上，因此重点就是编写Linux下STM32MP157引脚控制驱动。

地址映射

先简单了解一下MMU，MMU全称叫做Memory
Manage Unit，也就是内存管理单元。在老版本的Linux中要求处理器必须有MMU，但是现在Linux内核已经支持无MMU的处理器了。MMU 主要完成的功能如下：

完成虚拟空间到物理空间的映射。
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，也叫做地址映射 。首先了解两个地址概念：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2^32=4GB，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 ，如下图所示：

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。开启了 MMU，并且设置了内存映射，因此不能直接向0x5000A000这个地址写入数据，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。

ioremap函数

ioremap函数用于获取指定物理地址空间对应的虚拟地址空间，定义在arch/arm/include/asm/io.h文件中。函数定义如下：

c 复制代码

void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size);

一共有两个参数，而函数内部实际是调用了arch_ioremap_caller，并且有一个返回值：

res_cookie：要映射的物理起始地址。
size：映射的内存空间大小。
返回值：__iomem类型指针，指向映射后虚拟空间首地址。

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， iounmap函数原型如下：

c 复制代码

void iounmap (volatile void __iomem *addr);

只有一个参数，就是要取消映射的虚拟地址空间首地址。

I/O内存访问函数

I/O是输入/输出。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。对于ARM体系下只有I/O内存 (可以直接理解为内存) 。使用ioremap函数将寄存器的物理地址映射到虚拟地址以后，就可以直接通过指针访问这些地址，但是Linux内核不建议

这么做，而是推荐使用一组操作函数来对映射后的内存进行读写操作。

读操作函数

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。

c 复制代码

u8 readb(const volatile void __iomem *addr) 
u16 readw(const volatile void __iomem *addr) 
u32 readl(const volatile void __iomem *addr)

写操作函数

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。

c 复制代码

void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr) 
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr) 
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr)

硬件原理图分析

正点原子的STM32MP157开发班上有一个LED0，如下图所示：

可以看出， LED0接到了PI0上，当PI0输出低电平LED0就会导通点亮，当PI0输出高电平LED0不会导通，因此LED0也就不会点亮。

实验程序编写

LED灯驱动

首先定义一些方便操作的宏，比如设备号、设备名字以及LED开/官状态宏；之后需要定义寄存器宏定义；定义映射后的寄存器地址指针，指针是__iomem*类型；

之后定义led_switch函数，通过readl和writel函数来操作LED的状态；之后定义led_unmap函数，其中就是iounmap来取消各个寄存器的映射；

设备的read和open以及release都直接return 0就可以了，没什么操作；write函数就需要把数据拷贝过来之后，接收到的消息来判断具体的操作，在其中调用led_switch改变LED状态；然后file_operations把这几个设备操作函数封装一下；

最后是init函数，在这其中需要通过配置寄存器的方式来配置LED：首先通过ioremap读取物理寄存器映射后虚拟地址，然后就是寄存器的方法配置，最后需要register_chrdev注册led这个字符设备；注册失败需要回收，通过led_unmap来搞定；

最后还有exit函数，就是直接led_unmap取消映射，然后注销unregister_chrdev；

最后module_init和module_exit以及添加license和author就可以了，最后在表示这个驱动是intree模块驱动。

编写测试APP

就是最基础的打开、关闭以及写操作。

先判断argc是否为3，然后把设备名字argv[1]传入自己的char* filename，之后int fd通过open接住打开的设备，fd<0说明没有打开就直接return -1；之后把读取的数据传入databuf[0]，这也是自己定义的unsigned char数组，大小为1，通过atoi(argv[2])传进去；最后调用write写进int retvalue；关闭文件同样调用close传给retvalue。

运行测试

编译驱动模块和测试APP

驱动程序就直接写一个Makefile，把obj-m设置为led.o就好了，然后make就能得到"led.ko"驱动模块文件。

测试APP则通过如下命令编译生成：

|-------------------------------------------------|
| arm-none-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp |

运行测试

把编译生成的两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/5.4.31中，然后重启开发板，进入lib/modules/5.4.31然后加载驱动：

|------------------------------------------------|
| depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令 modprobe led //加载驱动 |

成功后就创建"/dev/led"设备节点：

|------------------------|
| mknod /dev/led.c 200 0 |

然后通过ledAPP测试驱动：

|-------------------------------------------------------------|
| ./ledApp /dev/led 1 //打开 LED灯 ./ledApp /dev/led 0 //关闭 LED灯 |

如果成功，之后可卸载驱动：

|--------------|
| rmmod led.ko |

总结

本篇主要就是通过Linux的地址映射，把物理寄存器地址映射到虚拟内存中，然后通过字符设备的操作方式，操作LED的亮灭。这里面主要还要学习一下寄存器配置的方式，翻翻手册记一下就好了。