72、IMX6ULL驱动实战：设备树（DTS/DTB）+ GPIO子系统+Platform总线

IMX6ULL驱动实战：设备树（DTS/DTB）+ GPIO子系统+Platform总线

一、核心技术原理铺垫

1.1 设备树（DTS/DTB）核心概念

设备树（Device Tree）是描述硬件资源的结构化文件，替代传统驱动中的硬编码硬件信息，核心目标是"硬件与驱动分离"：

• DTS（Device Tree Source）：设备树源文件，人类可读，包含硬件节点、资源配置（如GPIO、寄存器地址）；
• DTB（Device Tree Blob）：DTS编译后的二进制文件，内核可直接解析；
• 编译命令 ：make dtbs 编译所有设备树，make xxx.dtb 编译指定DTS；
• 核心属性 ：
  • compatible：兼容性属性，驱动通过该属性匹配设备节点（优先级高于name匹配）；
  • reg：寄存器地址范围；
  • xxx-gpio：GPIO编号及配置。

1.2 Platform总线与设备树匹配机制

Platform总线支持两种匹配方式（优先级：设备树匹配 > name匹配）：

1. 设备树匹配 ：驱动中定义of_device_id结构体（包含compatible属性），与DTS节点的compatible一致则匹配；
2. name匹配 ：驱动platform_driver的name与DTS节点name一致则匹配。

匹配成功后，总线自动执行驱动的probe函数，完成驱动初始化。

1.3 GPIO子系统API（简化硬件操作）

内核提供的GPIO子系统封装了底层寄存器操作，无需手动配置引脚复用、方向，直接调用API即可：

API函数	作用说明
of_find_node_by_path	通过路径查找DTS设备节点
of_get_named_gpio	从设备节点获取GPIO编号
gpio_request	申请GPIO（避免资源冲突）
gpio_direction_output	配置GPIO为输出模式并设置初始值
gpio_set_value	设置GPIO电平（1=高，0=低）
gpio_free	释放GPIO资源

1.4 硬件基础：GPIO控制LED

本文通过IMX6ULL的GPIO引脚控制LED，核心逻辑：

• DTS中定义LED对应的GPIO节点（如ptled_sub），指定compatible和ptled-gpio属性；
• 驱动通过GPIO子系统API读取DTS中的GPIO信息，申请并配置GPIO；
• 通过gpio_set_value控制GPIO电平，实现LED亮灭。

二、设备树（DTS）编写示例

根据驱动代码中提到的/ptled和/ptled_sub节点，编写对应的DTS片段（需添加到IMX6ULL的设备树文件，如imx6ull-14x14-evk.dts）：

2.1 节点1：/ptled（寄存器地址描述，适配第二个驱动）

ptled {
    compatible = "pt-led";          // 兼容性属性，驱动匹配用
    name1 = "imx6ull-led";          // 自定义名称属性
    reg = <0x020E0068 0x04         // IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03（4字节）
           0x020E02F4 0x04         // IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03（4字节）
           0x0209C004 0x04         // GPIO1_GDIR（方向寄存器）
           0x0209C000 0x04>;       // GPIO1_DR（数据寄存器）
};

2.2 节点2：/ptled_sub（GPIO描述，适配第一个驱动）

ptled_sub {
    compatible = "pt-led-sub";      // 与驱动of_device_id一致
    ptled-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>; // GPIO1_IO03，低电平有效
};

• &gpio1：引用GPIO1控制器节点；
• 3：GPIO1的第3个引脚（GPIO1_IO03）；
• GPIO_ACTIVE_LOW：低电平激活（LED亮）。

三、核心驱动代码深度解析

3.1 驱动1：GPIO子系统+Platform总线+设备树匹配（推荐）

该驱动通过GPIO子系统操作硬件，无需手动配置寄存器，可移植性强，核心代码解析：

3.1.1 设备树匹配结构体

// 设备树匹配表（compatible属性匹配）
static struct of_device_id led_table[] = {
    {.compatible = "pt-led-sub"},  // 与DTS节点compatible一致
    {} // 结束标志
};

// Platform驱动结构体
static struct platform_driver pdrv = {
    .probe = probe,
    .remove = remove,
    .driver = {
        .name = DEV_NAME,          // name匹配（备用）
        .of_match_table = led_table // 设备树匹配（优先）
    }
};

3.1.2 probe函数（核心初始化）

static int probe(struct platform_device *pdev) {
    struct device_node *pdts; // 设备树节点指针
    int ret = misc_register(&misc_dev); // 注册杂项设备
    if(ret) goto err_misc_register;
    
    // 1. 通过路径查找DTS节点（/ptled_sub）
    pdts = of_find_node_by_path("/ptled_sub");
    if(NULL == pdts) {
        ret = PTR_ERR(pdts);
        goto err_of_find;
    }

    // 2. 从节点获取GPIO编号（属性名：ptled-gpio）
    led_gpio = of_get_named_gpio(pdts, "ptled-gpio", 0);
    if(led_gpio < 0) {
        ret = led_gpio;
        goto err_of_find;
    }
    
    // 3. 申请GPIO资源（避免冲突）
    ret = gpio_request(led_gpio, "led");
    if(ret < 0) goto err_gpio_request;

    // 4. 配置GPIO为输出模式，初始值为LED_OFF（灭）
    gpio_direction_output(led_gpio, LED_OFF);

    printk("驱动匹配成功，probe执行完成！\n");
    return 0;

    // 错误处理：释放已申请资源
err_gpio_request:
err_of_find:
    misc_deregister(&misc_dev);
err_misc_register:
    printk("初始化失败！ret=%d\n", ret);
    return ret;
}

3.1.3 LED控制逻辑（ioctl/write）

static void led_on(void) {
    gpio_set_value(led_gpio, LED_ON); // GPIO输出低电平，LED亮
}

static void led_off(void) {
    gpio_set_value(led_gpio, LED_OFF); // GPIO输出高电平，LED灭
}

// ioctl命令处理（核心控制接口）
static long ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long args) {
    long ret = 0;
    switch(cmd) {
        case CMD_LED_ON: led_on(); break;
        case CMD_LED_OFF: led_off(); break;
        default: ret = -EINVAL;
    }
    return ret;
}

3.2 驱动2：设备树读取寄存器+直接操作（传统方式）

该驱动通过DTS读取寄存器地址，手动ioremap映射后操作硬件，适用于无GPIO子系统的场景，核心区别：

3.2.1 从DTS读取寄存器地址

static int __init led_init(void) {
    struct device_node *pdts;
    unsigned int led_array[8] = {0}; // 存储reg属性的地址和长度
    int ret = misc_register(&misc_dev);
    if(ret) goto err_misc_register;

    // 1. 查找DTS节点/ptled
    pdts = of_find_node_by_path("/ptled");
    if(NULL == pdts) {
        ret = PTR_ERR(pdts);
        goto err_find_node;
    }

    // 2. 读取reg属性（8个值：4组地址+长度）
    ret = of_property_read_u32_array(pdts, "reg", led_array, 8);
    if(ret < 0) goto err_of_property_read;

    // 3. 映射寄存器地址（虚拟地址操作硬件）
    iomuxc_mux_ctl = ioremap(led_array[0], led_array[1]); // 复用寄存器
    iomuxc_pad_ctl = ioremap(led_array[2], led_array[3]); // 电气特性寄存器
    gpio1_gdir = ioremap(led_array[4], led_array[5]);     // 方向寄存器
    gpio1_dr = ioremap(led_array[6], led_array[7]);     // 数据寄存器

    printk("杂项驱动初始化完成！\n");
    return 0;
    // 错误处理（省略）
}

3.2.2 手动配置GPIO（替代GPIO子系统）

static void led1_init(void) {
    *iomuxc_mux_ctl = 0x05;  // 引脚复用为GPIO
    *iomuxc_pad_ctl = 0x10B0;// 电气特性配置（上拉+100MHz）
    *gpio1_gdir |= (1 << 3); // 配置为输出模式
}

static void led_on(void) {
    *gpio1_dr &= ~(1 << 3);  // 低电平亮灯
}

四、应用程序编写（复用之前的ioctl控制）

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>

#define MAGIC_NUM 'x'
#define CMD_LED_ON _IO(MAGIC_NUM, 0)
#define CMD_LED_OFF _IO(MAGIC_NUM, 1)

int main(int argc, char *argv[]) {
    int fd = open("/dev/led", O_RDWR);
    if(fd < 0) {
        perror("open失败");
        return 1;
    }

    // 循环控制LED1秒闪烁
    while(1) {
        ioctl(fd, CMD_LED_ON);
        sleep(1);
        ioctl(fd, CMD_LED_OFF);
        sleep(1);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

五、实操验证流程（IMX6ULL开发板）

5.1 编译准备

（1）编译设备树（DTB）

1. 将编写的DTS片段添加到IMX6ULL的设备树文件（如imx6ull-14x14-evk.dts）；

2. 进入内核源码目录，编译设备树：

   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs

3. 编译完成后，在arch/arm/boot/dts/目录下生成更新后的imx6ull-14x14-evk.dtb。

（2）编译驱动模块

创建Makefile：

# 驱动1（GPIO子系统+Platform）
obj-m += led_platform_gpio.o
# 驱动2（寄存器操作+杂项设备）
# obj-m += led_misc_reg.o
KERNELDIR ?= /home/linux/IMX6ULL/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
PWD := $(shell pwd)

all:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm

clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean

执行编译：

make  # 生成.ko模块文件

（3）编译应用程序

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

5.2 驱动加载与验证（推荐驱动1：GPIO子系统方式）

1. 拷贝imx6ull-14x14-evk.dtb、led_platform_gpio.ko、led_app到开发板；

2. 开发板上电，通过TFTP加载新的DTB（或烧录到SD卡）；

3. 加载驱动模块：

   insmod led_platform_gpio.ko
   ls /dev/led  # 杂项设备自动创建节点

4. 运行应用程序：

   ./led_app  # LED开始1秒闪烁

5. 查看内核打印：

   dmesg | grep -E "probe|led"

   预期输出：

   led platform_driver_register success
   #########################  led_driver  probe
   led  open
   cmd = 2147483648  args = 0
   cmd = 2147483649  args = 0

6. 卸载驱动：

   rmmod led_platform_gpio.ko

5.3 驱动2验证（寄存器操作方式）

insmod led_misc_reg.ko
ls /dev/led
./led_app

六、关键技术对比与优势总结

6.1 驱动1（GPIO子系统）vs 驱动2（寄存器操作）

对比维度	驱动1（GPIO子系统+设备树）	驱动2（寄存器操作+设备树）
代码复杂度	低（调用API，无需手动配置寄存器）	高（手动配置复用、电气特性）
可移植性	强（适配不同芯片，仅需修改DTS）	弱（寄存器地址硬编码，移植需改驱动）
安全性	高（gpio_request避免资源冲突）	低（无资源申请，可能冲突）
适用场景	大多数GPIO外设（LED、按键、继电器）	无GPIO子系统的老内核或特殊外设

6.2 设备树的核心价值

• 硬件与驱动分离：修改硬件时无需改驱动，仅需修改DTS；
• 统一硬件描述：所有硬件资源集中在DTS，便于维护；
• 内核自动解析：内核通过DTS识别硬件，无需驱动硬编码。

七、常见问题排查

7.1 驱动匹配失败（probe不执行）

• compatible不匹配：驱动of_device_id的compatible与DTS节点一致；
• DTS节点路径错误：of_find_node_by_path的路径需与DTS中完全一致；
• 设备树未更新：确保烧录的是编译后的新DTB。

7.2 GPIO申请失败（ret<0）

• GPIO被占用：通过cat /sys/kernel/debug/gpio查看已占用的GPIO；
• DTS中GPIO配置错误：确认ptled-gpio的GPIO控制器（如&gpio1）和引脚号正确。

7.3 LED不闪烁但应用无报错

• GPIO方向配置错误：确认调用gpio_direction_output配置为输出模式；
• 电平极性错误：DTS中GPIO_ACTIVE_LOW表示低电平亮，需与硬件电路一致。

八、总结

本文通过两个LED驱动案例，完整展现了IMX6ULL的设备树+GPIO子系统+Platform总线的驱动开发流程：

1. 设备树（DTS）描述硬件资源（GPIO、寄存器地址）；
2. 驱动通过of函数解析DTS，获取硬件信息；
3. 优先使用GPIO子系统API操作硬件，提升可移植性；
4. Platform总线通过compatible属性实现驱动与硬件的自动匹配。