iMX6ULL 驱动工程搭建 + LED 灯驱动

一、驱动工程搭建

1、用户应用编程 VS 内核驱动编程差异

应用程序：运行在用户空间；

驱动：属于内核级别编程，代码属于操作系统内核一部分。

• 核心问题：如何在已经运行的大型内核代码中插入、执行我们自己的代码；
• 驱动本质最终还是操作寄存器，原理和裸机一致；区别是内核下要做物理地址→虚拟地址映射。

2、驱动两种加载方式

方式 1：静态编译进内核

• 编写驱动 .c源码；
• 修改Kconfig、Makefile；
• make menuconfig勾选驱动，<*代表编译进 zImage；
• 驱动代码被打包进 zImage 镜像，zImage 体积变大；
• 必须重新烧写内核、重启开发板，驱动才能生效。

方式 2：动态模块 ko（推荐调试使用）

• 编写驱动.c源码；
• 修改 Makefile，obj‑m += xxx.o，执行make modules生成.ko模块文件；
• ko 独立于 zImage 镜像，不修改内核镜像；
• 开发板 Linux 运行后手动加载卸载：

insmod xxx.ko：加载内核模块

lsmod：查看已经加载的内核模块

rmmod xxx：卸载内核模块

优点：不需要重启板子，调试效率高。

3、内核模块基础宏

宏	功能说明
module_init(func)	模块加载入口函数，insmod 的时候执行
module_exit(func)	模块卸载入口函数，rmmod 的时候执行
MODULE_LICENSE("GPL")	许可证声明，必须写，否则内核报警告，部分接口不可用
printk()	内核打印函数，代替应用层 printf，不能打印浮点数
pr_info(fmt,...)	带日志等级的打印，普通提示信息
pr_err(fmt,...)	带日志等级的打印，打印错误信息

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/printk.h>

static int __init mymodule_init(void)
{
    pr_info("mymodule_init ok\n");
    return 0;
}

static void __exit mymodule_exit(void)
{
    pr_info("mymodule_exit byebye\n");
}

module_init(mymodule_init);
module_exit(mymodule_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4、两种工程组织方式

① 放在内核源码树内部开发（drivers 目录下新增驱动）

步骤：

• 在drivers/char新建mydevtest.c驱动源码；

• 修改同目录Kconfig，添加配置项

  config MYMODULE
  tristate "mymodule inner kernel test"
  default y
  help
  driver test kconfig makefile

• 修改同目录Makefile：obj‑$(CONFIG_MYMODULE) += myhello.o

• make menuconfig选中对应模块；

• make modules生成 ko；

• 将 ko 拷贝到 nfs 的 rootfs 目录，开发板 insmod 加载测试。

Kconfig：控制 menuconfig 图形配置界面；Makefile 根据 CONFIG_xxx 变量决定是否编译文件。

② 源码树外部独立工程（实际项目推荐）

不改动内核源码，驱动工程和内核源码分开放。 目录结构示例

├── app          # 用户应用程序
│   ├── app.c
│   └── Makefile
├── drv          # 内核驱动代码
│   ├── .clangd
│   ├── compile_commands.json  #软链接指向内核源码生成的该文件，用于vscode代码补全
│   ├── drv.c
│   └── Makefile
└── Makefile     #顶层总Makefile

drv/Makefile示例

MODULE_NAME:= drv
KER_DIR := /home/linux/imx6ull/linux‑imx‑rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CUR_DIR := $(shell pwd)
obj‑m += $(MODULE_NAME).o

all:
	make -C $(KER_DIR) M=$(CUR_DIR) modules
	cp $(MODULE_NAME).ko ~/nfs/rootfs

clean:
	make -C $(KER_DIR) M=$(CUR_DIR) clean

distclean:
	rm $(MODULE_NAME).ko
	make -C $(KER_DIR) M=$(CUR_DIR) distclean

app/Makefile示例

SRC:=app.c
OBJ:=app
CC:=arm‑linux‑gnueabihf‑gcc

all:
	$(CC) $(SRC) -o $(OBJ)

clean:
	rm $(OBJ)

顶层 Makefile

all:
	make -C ./app all
	make -C ./drv all

clean:
	make -C ./app clean
	make -C ./drv clean

前置条件：内核源码必须完整编译过一次，外部模块编译依赖内核编译产物。

5、字符设备驱动基础框架

Linux 驱动三大分类

（1）字符设备：按字节流顺序读写；GPIO、I2C、SPI、UART、LED、按键、LCD、摄像头；占驱动 95% 以上；

（2）块设备：按块读写；SD、EMMC、Flash 存储设备；随机访问，吞吐量大；

（3）网络设备：wifi、蓝牙、CAN。

字符设备开发步骤

1）alloc_chrdev_region()：动态分配设备号（推荐）；register_chrdev_region()静态注册已知设备号；

2）cdev_alloc() / cdev_init()：初始化字符设备结构体，绑定file_operations；

3）cdev_add()：将字符设备注册进内核；

4）file_operations结构体：实现open/read/write/release，用户态系统调用最终会回调这些内核函数；

5）点两种方创建设备节式

• 手动：mknod /dev/led0 c 主设备号 次设备号
• 自动：class_create() + device_create()，sysfs 自动生成 /dev 设备文件；

6）卸载的时候依次执行cdev_del()、unregister_chrdev_region()、device_destroy()、class_destroy()。

字符设备 API	功能
cdev_init	初始化 cdev 结构体，绑定 file_operations
cdev_alloc	动态申请 cdev 结构体内存
cdev_add	把 cdev 注册到内核，驱动正式生效
cdev_del	从内核删除 cdev 设备
alloc_chrdev_region	动态分配主次设备号
unregister_chrdev_region	释放已经注册的设备号

/proc/devices可以查看系统所有已经注册的字符设备主设备号。

file_operations 说明

应用层调用 open/read/write/close，内核就会调用驱动中file_operations对应的函数指针。

6、sysfs 虚拟文件系统

sysfs 是内存虚拟文件系统，不占用磁盘存储 ，挂载在/sys。

sysfs 重要目录

目录	作用
/sys/devices	真实物理设备
/sys/bus	总线，devices 子目录存放设备，drivers 存放对应驱动
/sys/class	设备分类，按设备类型分组（tty、led、input 等）
/sys/module	已经加载的内核模块

驱动中使用 sysfs：

• class_create()：创建设备类；
• device_create()：创建设备，自动生成/dev/xxx节点；
• __ATTR宏定义设备属性；device_create_file()创建 sys 属性文件；
• 用户空间直接cat /sys/xxx/xxx读，echo value > /sys/xxx/xxx写，用于调试硬件，不用写专门应用程序。

注意：内核属性文件权限不能设置 0666，只能使用 0664。 show函数返回读取字符串长度；store函数必须返回传入数据长度，否则应用层会阻塞。

相关 API

函数	功能
class_create	创建设备类目录
class_destroy	销毁设备类
device_create	创建设备，自动生成 /dev 节点
device_destroy	销毁设备
__ATTR	初始化设备属性结构体
device_create_file	生成 sys 属性文件
device_remove_file	删除 sys 属性文件

7、misc 杂项设备（主设备号固定 10）

属于字符设备的简化封装，主设备号固定为 10，自动分配次设备号，自动创建设备节点。

可以省去alloc_chrdev_region、cdev_init、cdev_add、手动 mknod、class/device 的部分代码。

misc API	功能
misc_register()	注册杂项设备
misc_deregister()	注销杂项设备

二、LED 灯驱动知识点

1、硬件原理图要点

LED：低电平点亮，高电平熄灭；串联 510Ω 限流电阻。 引脚：LED0 接到 GPIO1_IO03。

2、裸机操作需要的寄存器

• IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03：引脚复用功能寄存器；
• IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03：引脚电气特性配置；
• GPIO1_DR：GPIO 数据寄存器；写 0 输出低电平，写 1 输出高电平；
• GPIO1_GDIR：GPIO 方向寄存器；bit 置 1 配置输出模式。

⚠️内核中不能直接操作物理寄存器地址！必须做物理地址→虚拟地址映射。

3、内存映射相关 API（内核访问硬件寄存器）

头文件：#include <linux/io.h>

函数	功能说明
ioremap(phys, size)	把物理地址映射成内核虚拟地址，返回虚拟地址指针
iounmap(virt_addr)	解除映射
devm_ioremap(phys,size)	资源托管映射；设备卸载驱动自动 iounmap 释放，推荐优先使用，防止内存泄漏
devm_ioremap_resource()	检查资源冲突，设备树驱动优先使用

寄存器读写函数（32 位 SOC，imx6ull 寄存器都是 32bit）

• readl(addr)：读取 32 位寄存器；
• writel(value, addr)：写 32 位寄存器。

4、用户空间 ↔ 内核空间数据拷贝

驱动 read/write 函数中，不能直接解引用用户空间指针，必须使用专用拷贝函数。

copy_from_user(kbuf, ubuf, size)用户空间数据拷贝到内核空间

copy_to_user(ubuf, kbuf, size) 内核空间数据拷贝到用户空间

5、两套 LED 驱动实现思路

思路 1：直接硬编码寄存器地址（不使用设备树）

1. ioremap 映射 4 个寄存器物理地址得到虚拟地址；
2. writel 配置引脚复用、PAD 电气属性；
3. writel 设置 GPIO 方向为输出；
4. writel 写 DR 寄存器控制输出高低电平，实现 LED 亮灭；
5. 在 file_operations 的 write 函数接收用户层传进来的亮灭值，操作寄存器；
6. 模块 exit 中 iounmap 释放映射。

缺点：硬件换板子，寄存器地址变了，驱动代码必须修改，可移植性差。

思路 2：设备树方式 LED 驱动（工程实际推荐，设备与驱动分离）

Linux3.x 之后引入设备树思想：硬件资源（寄存器、引脚、中断）写在 dts 设备树，驱动写通用逻辑；换硬件只改 dts，不用修改驱动 c 代码。

设备树相关文件后缀

后缀	含义
.dts	板级设备树，对应开发板硬件配置
.dtsi	公共头文件，多个 dts 可以 include 引用
.dtb	DTC 工具编译 dts/dtsi 得到的二进制，uboot 加载传递给内核

6、编译与测试完整流程

• 修改 dts，配置 led 节点（pinctrl+gpio）；
• 编译 dtb，放到 tftpboot；
• 编写驱动 c 代码，使用外部 Makefile 编译生成 ko；
• ko 拷贝到 nfs 共享 rootfs；
• 开发板网络启动，insmod led_drv.ko加载驱动
• 测试方式二选一
  • 应用程序 open /dev/xxx，write 写 1/0 控制亮灭；
  • sysfs 节点：echo 1 > /sys/devices/virtual/LED/led0/led_state；cat /sys/devices/virtual/LED/led0/led_state；
• rmmod led_drv卸载驱动。