【i.MX6ULL】驱动开发4——点亮LED(寄存器版)

上篇文章(【i.MX6ULL】驱动开发3--GPIO寄存器配置原理)，介绍了i.MX6ULL芯片的GPIO的工作原理与寄存器配置。

本篇，就要来实际操作一下GPIO，实现板子上LED灯的亮灭控制。

在介绍如何通过寄存器来控制LED之前，需要先来了解一下有关Linux地址映射相关的知识。

1 地址映射

Linux或是STM32，对于硬件的控制，本质都是操作寄存器，在对应的地址进行数据的读写。若是在裸机开发中，可以控制CPU直接操作寄存器的地址，实现相应的功能，其过程是这样的：

linux环境，一般是不会直接访问物理内存，因为如果用户不小心修改了内存中的数据，很有可能造成错误甚至系统崩溃。为了避免这些问题，linux内核便引入了MMU和TLB进行内存地址映射，通过访问虚拟地址实现对实际物理地址的读写：

1.1 MMU介绍

MMU，Memory Manage Unit，即内存管理单元，它提供统一的内存空间抽象，程序通过访问虚拟内存中的地址，MMU将虚拟地址（Virtual Address）翻译成实际的物理地址（Physical Address） ，之后CPU即可操作实际的物理地址。

MMU具有如下功能：

保护内存： MMU给一些指定的内存块设置了读、写以及可执行的权限，这些权限存储在页表当中，MMU会检查CPU当前所处的是特权模式还是用户模式，只有和操作系统所设置的权限匹配才可以访问。

提供方便统一的内存空间抽象，实现虚拟地址到物理地址的转换：CPU可以运行在虚拟的内存当中，虚拟内存一般要比实际的物理内存大很多，使得CPU可以运行比较大的应用程序。

1.2 TLB介绍

TLB，Translation Lookaside Buffer，即转译后备缓冲器，也称页表缓存，里面存放的是一些页表文件（虚拟地址到物理地址的转换表），又称为快表技术。

当CPU第一次查找一个虚拟地址时，硬件通过3级页表（page table）得到最终的PPN（Physical Page Number），TLB会保存虚拟地址到物理地址的映射关系。这样在下一次访问同一个虚拟地址时，处理器通过查看TLB来直接返回物理地址，而不需要通过page table得到结果，从而提高地址转换的效率。

1.3 I/O映射函数

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。

那在程序编写的时候，如何进行物理内存和虚拟内存之间的转换呢？这就需要用到两个函数：ioremap和iounmap。

ioremap()

ioremap函数用将物理地址映射为虚拟地址。

#define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE) 

/**
 * paddr: 被映射的 IO 起始地址（物理地址）
 * size: 需要映射的空间大小，以字节为单位
 * return: 一个指向__iomem类型的指针，映射成功后便返回一段虚拟地址空间的起始地址
 */
void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size, unsigned int mtype)
{ 
	return arch_ioremap_caller(phys_addr, size, mtype, __builtin_return_address(0)); 
} 

iounmap()

iounmap函数的作用是释放掉ioremap函数所做的映射，即反向操作，在卸载驱动的时候需要调用。

/**
 * addr: 要取消映射的虚拟地址空间首地址
 * return: void
 */
void iounmap (volatile void __iomem *addr) 

1.4 I/O内存访问函数

在使用ioremap函数将物理地址转换成虚拟地址之后，理论上我们便可以直接读写 I/O 内存，但是为了符合驱动的跨平台以及可移植性，我们应该使用 linux 中指定的函数（如：iowrite8()、iowrite16()、iowrite32()、ioread8()、ioread16()、ioread32() 等）去读写 I/O 内存，而非直接通过映射后的指向虚拟地址的指针进行访问。读写 I/O 内存的函数如下：

unsigned int ioread8(void __iomem *addr);  /*读取一个字节*/
unsigned int ioread16(void __iomem *addr); /*读取一个字*/
unsigned int ioread32(void __iomem *addr); /*读取一个双字*/

void iowrite8(u8 b, void __iomem *addr);   /*写入一个字节*/
void iowrite16(u16 b, void __iomem *addr); /*写入一个字*/
void iowrite32(u32 b, void __iomem *addr); /*写入一个双字*/

对于读I/O而言，他们都只有一个 __iomem 类型指针的参数，指向被映射后的地址，返回值为读取到的数据；

对于写I/O而言他们都有两个参数，第一个为要写入的数据，第二个参数为要写入的地址，返回值为空。

与这些函数相似的还有writeb、writew、writel、readb、readw、readl 等

u8  readb(const volatile void __iomem *addr);
u16 readw(const volatile void __iomem *addr); 
u32 readl(const volatile void __iomem *addr);
    
void writeb(u8 value,  volatile void __iomem *addr); 
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr); 
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr);     

在 ARM 架构下，writex（readx）函数与 iowritex（ioreadx）有一些区别，writex（readx）不进行端序的检查，而 iowritex（ioreadx）会进行端序的检查。

2 程序编写

2.1 LED驱动程序

led驱动也是属于字符设备驱动的，之前介绍了新旧两种字符驱动的写法，本篇led驱动就按照新字符设置驱动的写法来编写。

关于新字符设备的驱动模块，可参考之前的文章：【i.MX6ULL】驱动开发2--新字符设备开发模板

这里再放一张新字符设备开发的模板框架

2.1.1 字符设备的基本框架

//字符设备结构体
struct newchrled_dev{
	dev_t         devid;	/* 设备号   */
	struct cdev   cdev;		/* cdev     */
	struct class  *class;	/* 类       */
	struct device *device;	/* 设备     */
	int           major;	/* 主设备号 */
	int           minor;	/* 次设备号 */
};
struct newchrled_dev chrdevled; /* led设备 */

//打开 读取 写入 释放, 基础文件操作函数
static int chrdevled_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /*设置chrdevled为私有数据*/
    return 0;
}
static ssize_t chrdevled_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}
static ssize_t chrdevled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}
static int chrdevled_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

//设备操作函数结构体
static struct file_operations chrdevled_fops = {
	.owner   = THIS_MODULE,	
	.open    = chrdevled_open,
	.read    = chrdevled_read,
	.write   = chrdevled_write,
	.release = chrdevled_release,
};

//驱动入口函数
static int __init chrdevled_init(void)
{
    /* 初始化LED */
    /* 注册字符设备驱动（操作chrdevled_fops） */
    return 0;
}

//驱动出口函数
static void __exit chrdevled_exit(void)
{
    /* 取消IO映射 */
    /* 注销字符设备驱动 */
}

//驱动的入口和出口函数 
module_init(chrdevled_init);
module_exit(chrdevled_exit);

//LICENSE和作者信息
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("xxpcb");

2.1.2 具体完善

1）GPIO寄存器宏定义

需要配置相关的寄存器，就要对照着LED这个GPIO的硬件按需配置。

有关GPIO的各种寄存器的使用原理介绍，请参考上篇文章的介绍。

/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)	
#define SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE    (0X02290014)
#define SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE    (0X02290058)
#define GPIO5_DR_BASE				(0X020AC000)
#define GPIO5_GDIR_BASE				(0X020AC004)

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_SNVS_TAMPER3;
static void __iomem *SW_PAD_SNVS_TAMPER3;
static void __iomem *GPIO5_DR;
static void __iomem *GPIO5_GDIR;

CCM 是用来进行时钟的使能，其寄存器包括CCGR0~CCGR6，因为LED用到GPIO属于GPIO5，它对应的时钟配置寄存器就是CCM_CCGR1

MUX 是用来将IO复用为GPIO

PAD 是用来配置IO的基本参数（驱动能力、压摆率、上下拉等）

GPIO5_DR 数据寄存器，当GPIO为输出模式时，用来设置对应的高低电平

GPIO5_GDIR 方向寄存器，用来设置输入还是输出

以上是先对这些需要使用的寄存器的地址声明宏定义（这些寄存器的地址可通过查阅i.MX6ULL数据手册得到），然后再声明对应的虚拟地址的指针，因为Linux开始MMU后，就不能直接对寄存器的地址直接操作了，需要使用映射后的虚拟地址。

2）GPIO硬件初始化

主要包括以下几步：

寄存器地址映射：将需要用的寄存器的物理地址映射为虚拟地址

使能GPIO1时钟：就是配置CCM_CCGR1寄存器

设置GPIO5_IO03的复用功能：配置MUX和PAD寄存器

设置GPIO5_IO03为输出功能：配置GPIO5_GDIR方向寄存器

初始默认关闭LED：配置GPIO5_DR数据寄存器

具体配置过程如下，主要这里使用"与"和"或"的位运算操作，来配置寄存器中对应位的值。

static void led_hardware_init(void)
{
    u32 val = 0;
        
    /* 1、寄存器地址映射 */
    IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
    SW_MUX_SNVS_TAMPER3 = ioremap(SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE, 4);
    SW_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE, 4);
    GPIO5_DR = ioremap(GPIO5_DR_BASE, 4);
    GPIO5_GDIR = ioremap(GPIO5_GDIR_BASE, 4);

    /* 2、使能GPIO1时钟 */
    val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
    val &= ~(3 << 26);    /* 清除以前的设置 */
    val |= (3 << 26);    /* 设置新值 */
    writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

    /* 3、设置GPIO5_IO03的复用功能，将其复用为GPIO5_IO03，最后设置IO属性 */
    writel(5, SW_MUX_SNVS_TAMPER3);
    
    /*寄存器SW_PAD_SNVS_TAMPER3设置IO属性
     *bit 16:0 HYS关闭
     *bit [15:14]: 00 默认下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 关闭开路输出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
     */
    writel(0x10B0, SW_PAD_SNVS_TAMPER3);

    /* 4、设置GPIO5_IO03为输出功能 */
    val = readl(GPIO5_GDIR);
    val &= ~(1 << 3);    /* 清除以前的设置 */
    val |= (1 << 3);    /* 设置为输出 */
    writel(val, GPIO5_GDIR);

    /* 5、默认关闭LED */
    val = readl(GPIO5_DR);
    val |= (1 << 3);    
    writel(val, GPIO5_DR);
}

3）字符设备初始化

需要定义led字符设备结构体，来管理这个led设备。

/*newchr设备结构体 */
struct newchrled_dev{
    dev_t         devid;    /* 设备号   */
    struct cdev   cdev;     /* cdev     */
    struct class  *class;   /* 类       */
    struct device *device;  /* 设备     */
    int           major;    /* 主设备号 */
    int           minor;    /* 次设备号 */
};

struct newchrled_dev chrdevled; /* led设备 */

具体的led字符设备初始化流程:

初始化LED的GPIO（上面刚介绍）

创建设备号

初始化cdev字符设备

添加cdev字符设备

创建类

创建设备

static int __init chrdevled_init(void)
{
    /* 初始化LED */
    led_hardware_init();

    /* 注册字符设备驱动 */
    /* 1、创建设备号 */
    if (chrdevled.major) /* 定义了设备号 */
    {
        chrdevled.devid = MKDEV(chrdevled.major, 0);
        register_chrdev_region(chrdevled.devid, chrdevled_CNT, chrdevled_NAME);
    } 
    else /* 没有定义设备号 */
    {
        alloc_chrdev_region(&chrdevled.devid, 0, chrdevled_CNT, chrdevled_NAME);    /* 申请设备号 */
        chrdevled.major = MAJOR(chrdevled.devid);    /* 获取分配号的主设备号 */
        chrdevled.minor = MINOR(chrdevled.devid);    /* 获取分配号的次设备号 */
    }
    printk("chrdevled major=%d,minor=%d\n",chrdevled.major, chrdevled.minor);    
    
    /* 2、初始化cdev */
    chrdevled.cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&chrdevled.cdev, &chrdevled_fops);
    
    /* 3、添加一个cdev */
    cdev_add(&chrdevled.cdev, chrdevled.devid, chrdevled_CNT);

    /* 4、创建类 */
    chrdevled.class = class_create(THIS_MODULE, chrdevled_NAME);
    if (IS_ERR(chrdevled.class)) 
    {
        return PTR_ERR(chrdevled.class);
    }

    /* 5、创建设备 */
    chrdevled.device = device_create(chrdevled.class, NULL, chrdevled.devid, NULL, chrdevled_NAME);
    if (IS_ERR(chrdevled.device)) 
    {
        return PTR_ERR(chrdevled.device);
    }
    
    printk("chrdevled init done!\n");
    return 0;
}

4）LED亮灭控制

驱动程序中，对于LED的控制，可以分为两步。

第一步是接收和解析应用层发来的控制数据（0或1来控制亮灭），将控制参数传递给具体的开关led的函数：

static ssize_t chrdevled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    unsigned char databuf[1];
    unsigned char ledstat;
    
    /* 接收用户空间传递给内核的数据并且打印出来 */
    if(0 != copy_from_user(databuf, buf, cnt))
    {
        printk("kernel recevdata failed!\n");
        return -EFAULT;
    }
    
    ledstat = databuf[0];        /* 获取状态值 */

    if(ledstat == LEDON) 
    {    
        led_switch(LEDON);        /* 打开LED灯 */
        printk("led on!\n");
    } 
    else if(ledstat == LEDOFF) 
    {
        led_switch(LEDOFF);       /* 关闭LED灯 */
        printk("led off!\n");
    }
    
    return 0;
}

第二步就是根据指令参数，通过控制数据寄存器GPIO5_DR来实现GPIO的高低电平输出，从而实现LED的亮灭：

void led_switch(u8 sta)
{
    u32 val = 0;
    if(sta == LEDON) 
    {
        val = readl(GPIO5_DR);
        val &= ~(1 << 3);    
        writel(val, GPIO5_DR);
    }
    else if(sta == LEDOFF) 
    {
        val = readl(GPIO5_DR);
        val|= (1 << 3);    
        writel(val, GPIO5_DR);
    }    
}

5）驱动退出

驱动不再使用时，需要注销相关的设备：

static void led_hardware_exit(void)
{
    iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
    iounmap(SW_MUX_SNVS_TAMPER3);
    iounmap(SW_PAD_SNVS_TAMPER3);
    iounmap(GPIO5_DR);
    iounmap(GPIO5_GDIR);
}

首先释放掉这些地址映射：

static void __exit chrdevled_exit(void)
{
    /* 取消IO映射 */
    led_hardware_exit();
    
    /* 注销字符设备驱动 */
    cdev_del(&chrdevled.cdev);/*  删除cdev */
    unregister_chrdev_region(chrdevled.devid, chrdevled_CNT); /* 注销设备号 */

    device_destroy(chrdevled.class, chrdevled.devid);
    class_destroy(chrdevled.class);
    
    printk("chrdevled exit done!\n");
}

驱动程序基本就是这些，完整的程序见我的gitee仓库：https://gitee.com/xxpcb/imx6ull

2.2 LED应用程序

写完了驱动程序（BSP），还要写对应的应用程序（APP）。

目前的应用程序比较简短，因为在Linux中，一切皆文件，所以，对于LED的控制，就是通过向文件中写入0或1来实现LED的亮灭。

先来对0和1进行宏定义：

#define LEDOFF  0 /*长灭*/
#define LEDON   1 /*长亮*/

然后就是main函数了：

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, retvalue;
    char *filename;
    unsigned char databuf[1];

    if(argc != 3)
    {
        printf("Error Usage!\r\n");
        return -1;
    }

    filename = argv[1];

    /* 打开led驱动文件 */
    fd  = open(filename, O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
        printf("Can't open file %s\r\n", filename);
        return -1;
    }
    
    /* 要执行的操作：打开或关闭 */
    databuf[0] = atoi(argv[2]); 
    
    /* 向设备驱动(/dev/chrdevled)写数据 */
    retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
    if(retvalue < 0)
    {
        printf("write file %s failed!\r\n", filename);
        close(fd);
        return -1;
    }

    /* 关闭设备 */
    retvalue = close(fd);
    if(retvalue < 0)
    {
        printf("Can't close file %s\r\n", filename);
        return -1;
    }

    return 0;
}

3 实验测试

3.1 程序编译与下载

再来复习一下基本步骤：

ubuntu中通过gcc交叉编译器编译出led的驱动程序和应用程序

搭建局域网环境（电脑和linux板子连接到同一个路由器下，Linux板子以及烧录了镜像文件，能够正常运行）

通过tftp服务将两个文件发送到linux板子的对应目录中（/lib/modules/4.1.15目录）

进行字符设备的加载，以及文件读写测试（控制led亮灭）

程序的具体编译过程与之前的类似，这里不再赘述，可参考之前的文章（如这篇：【i.MX6ULL】驱动开发2--新字符设备开发模板）

3.2 实验现象

首先来看一下板子上LED的位置，如下图的电路上的标号D14处：

然后在串口中，按照之前介绍字符设备的加载流程，先加载led字符设备，然后就可以下向应用程序写1或0来控制led的亮灭了。

led点亮的效果如下：

4 总结

本篇主要介绍了如何通过操作寄存器来点亮i.MX6ULL开发板上的led，通过编写LED对应的驱动程序和应用程序，实现程序设计的分层。

因为Linux使用了MMU进行虚拟地址管理，因此在操作寄存器时，要进行地址映射后再操作。最后通过程序的实际测试，验证了led的亮灭功能。

审核编辑：符乾江