嵌入式Linux LED驱动开发

一、LED驱动概述

本笔记基于IMX6ULL处理器的LED驱动开发，详细介绍了字符设备驱动开发的基本流程。该驱动实现了对LED的基本控制功能，通过字符设备接口供用户空间程序调用。

二、LED驱动核心概念

1. 寄存器地址定义

本驱动涉及多个硬件寄存器的配置：

c 复制代码

#define CCM_CGR1_BASE        0x020C406C // 时钟控制寄存器
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE 0x020E0068 // 引脚复用配置
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE 0x020E02F4 // 引脚电气特性配置
#define GPIO1_DR_BASE        0x0209C000 // 数据寄存器
#define GPIO1_GDIR_BASE      0x0209C004 // 方向寄存器

2. 寄存器操作方法

ioremap：将物理地址映射到内核虚拟地址空间
readl：读取寄存器值
writel：写入寄存器值
iounmap：解除地址映射

3. LED状态定义

c 复制代码

#define LEDOFF 0 // LED关闭
#define LEDON  1 // LED开启

三、LED驱动开发步骤

1. 驱动模块初始化与卸载

c 复制代码

static int __init led_init(void) {
    // 初始化代码
}

static void __exit led_exit(void) {
    // 清理代码
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

2. 硬件初始化

地址映射

c 复制代码

CCM_CGR1 = ioremap(CCM_CGR1_BASE, 4);
SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);

时钟使能

c 复制代码

val = readl(CCM_CGR1);
val &= ~(3 << 26); // 清除旧设置
val |= (3 << 26);  // 启用GPIO1时钟
writel(val, CCM_CGR1);

引脚配置

c 复制代码

writel(0x5, SW_MUX_GPIO1_IO03); // 设置为GPIO模式
writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03); // 配置电气特性

GPIO方向设置

c 复制代码

val = readl(GPIO1_GDIR);
val |= (1 << 3); // 设置GPIO1_IO03为输出
writel(val, GPIO1_GDIR);

3. 设备操作函数实现

LED开关函数

c 复制代码

static void led_switch(unsigned char state) {
    unsigned int val = 0;
    val = readl(GPIO1_DR);
    if (state == LEDON) {
        val &= ~(1 << 3); // 拉低电压点亮LED
    } else if (state == LEDOFF) {
        val |= (1 << 3); // 拉高电压关闭LED
    }
    writel(val, GPIO1_DR);
}

文件操作结构体

c 复制代码

static const struct file_operations led_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .write = led_write,
    .open = led_open,
    .release = led_release,
};

open和release函数

c 复制代码

static int led_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk("LED device opened\n");
    return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk("LED device closed\n");
    return 0;
}

write函数

c 复制代码

static ssize_t led_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
    int ret = 0;
    unsigned char databuf[1];
    
    ret = copy_from_user(databuf, buf, count);
    if (ret < 0) {
        printk("Failed to copy data from user space\n");
        return -EIO;
    }
    led_switch(databuf[0]);
    return 0;
}

4. 模块注册与注销

c 复制代码

static int __init led_init(void) {
    // ...
    ret = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
    // ...
}

static void __exit led_exit(void) {
    // ...
    unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
    // ...
}

四、用户空间测试程序

1. 测试程序功能

c 复制代码

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 3) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <led_device> <0|1>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    char* filename;
    unsigned char databuf[1];
    filename = argv[1];
    databuf[0] = atoi(argv[2]);

    int fd = 0;
    int ret = 0;

    fd = open(filename, O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open led device error");
        return -1;
    }
    ret = write(fd, databuf, 1);
    if (ret < 0) {
        perror("write led device error");
        close(fd);
        return -1;
    }

    close(fd);
    return 0;
}

2. 测试方法

bash 复制代码

# 编译测试程序
arm-linux-gnueabihf-gcc ledAPP.c -o ledAPP

# 加载驱动
sudo insmod led.ko

# 创建设备节点
sudo mknod /dev/led c 200 0

# 点亮LED
sudo ./ledAPP /dev/led 1

# 关闭LED
sudo ./ledAPP /dev/led 0

五、Makefile说明

makefile 复制代码

KERNERDIR := /home/ubuntu2004/linux/IMX6ULL/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
CURRENTDIR := $(shell pwd)

obj-m := led.o

build : kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNERDIR) M=$(CURRENTDIR) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KERNERDIR) M=$(CURRENTDIR) clean

六、驱动开发关键知识点

1. 地址映射与硬件访问

使用ioremap将物理地址映射到内核地址空间
使用readl和writel进行寄存器读写
使用iounmap解除地址映射

2. 内核空间与用户空间交互

使用copy_from_user从用户空间复制数据
使用printk输出内核日志信息

3. 字符设备驱动注册

使用register_chrdev注册字符设备
使用unregister_chrdev注销字符设备

4. GPIO操作

配置GPIO为输出模式
通过修改DR寄存器控制LED状态
注意GPIO电平的含义（低电平点亮LED）

5. 驱动调试

使用dmesg查看内核日志
使用insmod加载驱动
使用mknod创建设备节点
使用测试程序验证驱动功能

七、LED驱动工作流程

驱动加载
- 执行insmod led.ko加载驱动
- 执行dmesg查看"LED module initialized"确认加载成功
设备节点创建
- 执行mknod /dev/led c 200 0创建设备节点
LED控制
- 执行./ledAPP /dev/led 1点亮LED
- 执行./ledAPP /dev/led 0关闭LED
驱动卸载
- 执行rmmod led.ko卸载驱动
- 执行dmesg查看"LED module exited"确认卸载成功

八、常见问题与解决

LED不工作
- 检查地址映射是否正确
- 使用printk调试输出确认驱动加载
- 检查GPIO方向是否设置为输出
- 验证硬件连接
驱动加载失败
- 检查设备号是否冲突
- 查看dmesg日志定位错误
- 确认内核版本与编译环境匹配
用户程序无法访问
- 检查设备节点权限
- 确认设备节点主设备号匹配
- 检查open和write函数实现

九、驱动开发总结

本驱动实现了对IMX6ULL处理器GPIO接口的LED控制，展示了字符设备驱动开发的基本流程：

硬件寄存器地址定义和初始化
地址映射和硬件配置
字符设备注册
文件操作函数实现
用户空间接口设计
驱动模块加载和卸载
测试程序开发

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