正点原子【第四期】Linux之驱动开发学习笔记-2.1LED灯驱动实验（直接操作寄存器）

前言：

本文是根据哔哩哔哩网站上"正点原子【第四期】手把手教你学Linux系列课程之 Linux驱动开发篇"视频的学习笔记，该课程配套开发板为正点原子alpha/mini Linux开发板。在这里会记录下正点原子 I.MX6ULL 开发板的配套视频教程所作的实验和学习笔记内容。本文大量引用了正点原子教学视频和链接中的内容。

引用：

正点原子IMX6U仓库 (GuangzhouXingyi) - Gitee.com

正点原子【第四期】手把手教你学 Linux之驱动开发篇_哔哩哔哩_bilibili

《【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.5.2.pdf》

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正点原子imx6ull-mini-Linux驱动之Linux I2C 驱动实验（21）-CSDN博客

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正文：

本文是 "正点原子【第四期】手把手教你学 Linux之驱动开发篇-1.1 Linux驱动开发与裸机开发的区别"。本节将参考正点原子的视频教程和配套的正点原子开发指南文档进行学习。

0. 概述

上一章我们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 设备为例带领大家完成了第一个字符设备驱动的开发。本章我们就开始编写第一个真正的 Linux 字符设备驱动。在 I.MX6U-ALPHA 开发板上有一个 LED 灯，我们在裸机篇中已经编写过此 LED 灯的裸机驱动，本章我们就来学习一下如何编写 Linux 下的 LED 灯驱动。

1 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。所以本章的 LED 灯驱动最终也是对 I.MX6ULL 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。I.MX6U-ALPHA 开发板上的 LED 连接到 I.MX6ULL 的 GPIO1_IO03 这个引脚上，因此本章实验的重点就是编写 Linux 下 I.MX6UL 引脚控制驱动。关于 I.MX6ULL 的 GPIO 详细讲解请参考第八章。

1.1 地址映射

在编写驱动之前，我们需要先简单了解一下 MMU 这个神器， MMU 全称叫做 MemoryManage 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：

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。

我们重点来看一下第①点，也就是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，虚拟地址范围是 2^32=4GB，我们的开发板上有 512MB 的 DDR3，这 512MB 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，如图 41.1.1 所示

物理内存只有 512MB，虚拟内存有 4GB，那么肯定存在多个虚拟地址映射到同一个物理地址上去，虚拟地址范围比物理地址范围大的问题处理器自会处理，这里我们不要去深究，因为MMU 是很复杂的一个东西，后续有时间的话正点原子 Linux 团队会专门做 MMU 专题教程。

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 I.MX6ULL 的 GPIO1_IO03 引脚的复用寄存器IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 的地址为 0X020E0068。如果没有开启 MMU 的直接向 0X020E0068 这个寄存器地址写入数据就可以配置 GPIO1_IO03 的复用功能。现在开启了 MMU，并且设置了内存映射，因此就不能直接向 0X020E0068 这个地址写入数据了。我们必须得到 0X020E0068 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

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，定义如下：

arch/arm/include/asm/io.h

ioremap 是个宏，有两个参数： cookie 和 size，真正起作用的是函数__arm_ioremap，此函数有三个参数和一个返回值，这些参数和返回值的含义如下：

phys_addr：要映射的物理起始地址。
size：要映射的内存空间大小。
mtype： ioremap 的类型，可以选择 MT_DEVICE、 MT_DEVICE_NONSHARED、MT_DEVICE_CACHED 和 MT_DEVICE_WC， ioremap 函数选择 MT_DEVICE。

返回值： __iomem 类型的指针，指向映射后的虚拟空间首地址。

假如我们要获取 I.MX6ULL 的 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 寄存器对应的虚拟地址，使用如下代码即可：

cpp 复制代码

#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068)
static void __iomem* SW_MUX_GPIO1_IO03;
SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);

宏 SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE 是寄存器物理地址， SW_MUX_GPIO1_IO03 是映射后的虚拟地址。对于 I.MX6ULL 来说一个寄存器是 4 字节(32 位)的，因此映射的内存长度为 4。映射完成以后直接对 SW_MUX_GPIO1_IO03 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， iounmap 函数原型如下：

cpp 复制代码

void iounmap (volatile void __iomem *addr)

1.2 I/O 内存访问函数

这里说的 I/O 是输入/输出的意思，并不是我们学习单片机的时候讲的 GPIO 引脚。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

。但是对于 ARM 来说没有 I/O 空间这个概念，因此 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，我们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。

1、读操作函数

读操作函数有如下几个：

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

写操作函数有如下几个：

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。

2.硬件原理图分析

本章实验硬件原理图参考 8.3 小节即可

3.实验程序编写

本章实验编写 Linux 下的 LED 灯驱动，可以通过应用程序对 I.MX6U-ALPHA 开发板上的LED 灯进行开关操作。

新建名为"2_led"文件夹，然后在 2_led 文件夹里面创建 VSCode 工程，工作区命名为"led"。工程创建好以后新建 led.c 文件，此文件就是 led 的驱动文件，在 led.c 里面输入如下内容：

cpp 复制代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <asm/io.h>


#define LED_MAJOR 200
#define LED_NAME "led"

#define CCM_CCGR1_BASE                          (0x020C406C)
#define SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03_BASE          (0x020E0068)
#define SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03_BASE          (0x020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE                           (0x0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE                         (0X0209C004)


void __iomem * CCM_CCGR1 = NULL;
void __iomem * SW_MUX_CTL_GPIO1_IO03 = NULL;
void __iomem * SW_PAD_CTL_GPIO1_IO03 = NULL;
void __iomem * GPIO1_GDIR = NULL;
void __iomem * GPIO1_DR = NULL;





static int led_open(struct inode *inode, struct file *filep) {
  return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filep) {
  return 0;
}

static ssize_t led_read(struct file *filep, char __user *buf,
			size_t count, loff_t *ppos) {

    return 0;
}

#define LED_OFF 0 
#define LED_ON 1


void led_switch(uint8_t sta) {

  u32 val = sta;

  if (sta == LED_ON) {
    val = readl(GPIO1_DR);
    val &= ~(1 << 3);
    writel(val, GPIO1_DR);
  }
  else if (sta == LED_OFF) {
    val = readl(GPIO1_DR);
    val |= (1 << 3);
    writel(val, GPIO1_DR);
  }
}


static ssize_t led_write(struct file *filep, const char __user *buf,
			size_t count, loff_t *ppos)
{
  int retvalue;

  unsigned char databuf[1];
  retvalue = copy_from_user(databuf, buf, 1);
  if(retvalue < 0 ){
    printk("kernel write failed\n\n");
    return -EFAULT;
  }

  if (databuf[0] == 0) {
    led_switch(LED_OFF);
  }
  else if (databuf[0] == 1) {
    led_switch(LED_ON);
  }


  return 0;
}

//
static const struct file_operations led_fopes = {
  .owner = THIS_MODULE,
  .read =  led_read,
  .write = led_write,
  .open = led_open,
  .release = led_release,
};

// entry 
static int __init led_init(void) {
  int ret = 0;
  u32 val = 0;

  printk("led init\n");

  /**/
  // map gpio physical memory address to vitual address
  CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
  SW_MUX_CTL_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
  SW_PAD_CTL_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
  GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);
  GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);

  //gpio init

  //CCGR0 clock
  val = readl(CCM_CCGR1);
  val |= (3 << 26);
  writel(val, CCM_CCGR1);

  //GPIO1_IO03 MUX
  writel(0x5, SW_MUX_CTL_GPIO1_IO03);
  writel(0x10B0, SW_PAD_CTL_GPIO1_IO03);

  //GPOI1 direction
  val = readl(GPIO1_GDIR);
  val |= (1 << 3);
  writel(val, GPIO1_GDIR);

  //GPIO1 data
  val = readl(GPIO1_DR);
  val &= ~(1 << 3);
  writel(val, GPIO1_DR);



  // register chrdevice
  ret = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fopes);
  if(ret < 0){
    printk("register chardev fail\r\n");
    return -EIO;
  }

  return 0;
}

//exit 
static void __exit led_exit(void) {
  u32 val;

  unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);



  //GPIO1 data
  val = readl(GPIO1_DR);
  val |= (1 << 3);
  writel(val, GPIO1_DR);


  iounmap(CCM_CCGR1);
  iounmap(SW_MUX_CTL_GPIO1_IO03);
  iounmap(SW_PAD_CTL_GPIO1_IO03);
  iounmap(GPIO1_DR);
  iounmap(GPIO1_GDIR);


  printk("led exit\n");
}


//retister .ko load and deload function
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("dimon.chen@163.com");

编写测试 APP

编写测试 APP， led 驱动加载成功以后手动创建/dev/led 节点，应用 APP 通过操作/dev/led文件来完成对 LED 设备的控制。向/dev/led 文件写 0 表示关闭 LED 灯，写 1 表示打开 LED 灯。新建 ledApp.c 文件，在里面输入如下内容：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>


/*
 * ./ledApp <filename> <0|1>  , 0:trun off led, 1:turn on led
 * ./ledApp /dev/led 0 
 * ./ledApp /dev/led 1
 */
int main(int argc, char *argv[]) 
{
    int ret = 0;
    int fd = -1;
    char *filename = NULL;
    char read_data[100];
    char write_data[100];


    if(argc < 3) {
        printf("usate:  %s <dev> <opt>\r\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    filename = argv[1];
    fd = open(filename, O_RDWR);
    if(fd < 0) {
        printf("open %s fail\r\n");
        return -1;
    }



    char databuf[1];
    databuf[0] = atoi(argv[2]);
    ret = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
    if(ret < 0 )
    {
        printf("write fail \n");
        close(fd);
        return -1;
    }

    
    close(fd);
    return 0;
}

4 运行测试

4.1 编译驱动程序和测试 APP

1、编译驱动程序

编写 Makefile 文件，本章实验的 Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将 obj-m 变量的值改为 led.o， Makefile 内容如下所示：

bash 复制代码

obj-m := led.o


PWD=$(shell pwd)
KDERDIR=/home/dimon/I.MX6ULL/linux_altek_driver

modules:
	$(MAKE) -C $(KDERDIR) M=$(PWD) modules

clear:
	$(MAKE) -C $(KDERDIR) M=$(PWD) clear

2、编译测试 APP

输入如下命令编译测试 ledApp.c 这个测试程序：

arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp

编译成功以后就会生成 ledApp 这个应用程序。

4.2 运行测试

注意！如果大家使用的正点原子出厂系统来做本实验，那么会发现 LED 灯会一直闪烁。这是因为正点原子出厂系统默认将 LED 灯作为了心跳灯，因此系统启动以后 LED 灯就会自动闪烁，这样会影响大家做实验。如果是完全按照本教程自行移植的内核和根文件系统，那么就不会遇到此问题。如果直接使用出厂系统来做实验，我们需要关闭 LED 灯的心跳功能，关闭方法参考《【正点原子】 I.MX6U 用户快速体验》第 3.1 小节，或者输入如下命令即可：

echo none > /sys/class/leds/sys-led/trigger // 改变 LED 的触发模式

创建设备节点

mknod /dev/led c 200 0

加载内核模块

执行ledApp测试程序，控制LED亮灭

./ledApp /dev/led 1 //打开 LED 灯

输入上述命令以后观察 I.MX6U-ALPHA 开发板上的红色 LED 灯是否点亮，如果点亮的话说明驱动工作正常。

在输入如下命令关闭 LED 灯

./ledApp /dev/led 0 //关闭 LED 灯

输入上述命令以后观察 I.MX6U-ALPHA 开发板上的红色 LED 灯是否熄灭，如果熄灭的话说明我们编写的 LED 驱动工作完全正常！至此，我们成功编写了第一个真正的 Linux 驱动设备程序。

如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod led.ko

5. 总结

Linux中开启了MMU则ARM 处理器访问的所有地址都是虚拟内存地址，当在led.ko中需要对寄存器物理地址进行读操作和写操作时，需要先把寄存器物理内存地址映射为虚拟内存物理地址。从物理内存地址映射为虚拟物理内存地址使用的是 ioremap() 和 iounmap()，在Linux中类似这种ioremap()/iounmap()的函数必须成对的使用，有ioremap，在退出内核模块时就需要做iounmap()。

在内核里对映射到虚拟内存地址的 void __iomem * xxx_addr 的地址做读写的时，需要使用Linux内核提供 void __iomem * 的读写函数，内核提供的读函数有 readb(), readw(), readl() 分别是读8bit, 16bit, 32bit，内核提供的写函数有 writeb(), writew(), writel() 分别是写 8bit, 16bit, 32bit。