9.2 Linux LED 驱动开发

一、Linux 下的 LED 驱动原理

  Linux 下的任何驱动，最后都是要配置相应的硬件寄存器。

1. 地址映射

  MMU 全称叫做 MemoryManage Unit，也就是内存管理单元。 现在的 Linux 支持无 MMU 处理器。MMU 主要完成的功能为：

  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。

  虚拟空间到物理空间的映射其实就是 地址映射。 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 1GB 的 DDR3，这 1GB 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：

  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 STM32MP157 的 PI0 引脚的端口模式寄存器 GPIOI_MODER 物理地址为0x5000A000。如果没有开启 MMU 的话直接向 0x5000A000 这个寄存器地址写入数据就可以配置 PI0 的引脚功能(输入、输出、复用或模拟等)。

  那有人会有疑惑，那为什么要开启MMU呢？开启 MMU 使得操作系统能够更好地管理内存资源、提供虚拟内存、实施内存保护和权限控制，并提供了更高效、安全、灵活的内存访问方式。总而言之，开启 MMU 的好处大大滴。

  现在开启了 MMU，并且设置了内存映射，因此就不能直接向 0x5000A000 这个地址写入数据了。我们必须得到 0x5000A000 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。 

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① ioremap 函数

/*
 * @description : 获取指定物理地址空间对应的虚拟地址空间
 * @param - res_cookie : 映射的物理起始地址
 * @param - size : 映射的内存空间大小
 * @return : __iomem 类型的指针,指向映射后的虚拟空间首地址
 * __iomen:可以修饰指针类型，将其标记为 I/O 内存指针， I/O 内存指针目的是告知编译器该指针指向的内存区域用于与 I/O 设备进行直接交互，需要采取特殊的读写方式和对齐规则
 */
void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size)
{
    return arch_ioremap_caller(res_cookie, size, MT_DEVICE, __builtin_return_address(0));
}

  如果需要 STM32MP157-ATK 的 GPIOI_MODER 寄存器对应的虚拟地址 ，代码如下：

#define GPIOI_MODER        (0X5000A000)
static void __iomen        *GPIO_MODER_PI;
GPIO_MODER_PI = ioremap(GPIOI_MODER, 4);

  宏 GPIOI_MODER 是寄存器物理地址， GPIO_MODER_PI 是映射后的虚拟地址。对于 STMP32MP157 来说一个寄存器是 4 字节(32 位)，因此映射的内存长度为 4。映射完成以后直接对 GPIO_MODER_PI 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：

/*
 * @description : 释放 ioremap 所做的映射
 * @param - addr : 取消映射的虚拟地址空间首地址
 */
void iounmap (volatile void __iomem *addr);

  比如现在要卸载 GPIO_MODER_PI 寄存器的地址映射：

iounmap(GPIO_MODER_PI);

2. I/O 内存访问函数

  I/O 是输入/输出的意思， 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 ARM 空间只有 I/O 内存。Linux 内核建议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

u8 readb(const volatile void __iomem *addr);
u16 readw(const volatile void __iomem *addr);
u32 readl(const volatile void __iomem *addr);

/*
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

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

/*
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。
 */

二、硬件原理图分析

  LED0 接到了 PI0 上， PI0 就是 GPIOI 组的第 0 个引脚，当 PI0 输出低电平(0)的时候发光二极管 LED0 就会导通点亮，当 PI0 输出高电平(1)的时候发光二极管LED0 不会导通，因此 LED0 也就不会点亮。所以 LED0 的亮灭取决于 PI0 的输出电平，输出 0 就亮，输出 1 就灭。 

三、实验程序编写

1. LED 驱动程序编写

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define LED_MAJOR 200 /* 主设备号 */
#define LED_NAME "led" /* 设备名字 */

#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 */

/* 寄存器物理地址 */
#define PERIPH_BASE (0x40000000)
#define MPU_AHB4_PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000000)
#define RCC_BASE (MPU_AHB4_PERIPH_BASE + 0x0000)
#define RCC_MP_AHB4ENSETR (RCC_BASE + 0XA28)
#define GPIOI_BASE (MPU_AHB4_PERIPH_BASE + 0xA000)
#define GPIOI_MODER (GPIOI_BASE + 0x0000)
#define GPIOI_OTYPER (GPIOI_BASE + 0x0004)
#define GPIOI_OSPEEDR (GPIOI_BASE + 0x0008)
#define GPIOI_PUPDR (GPIOI_BASE + 0x000C)
#define GPIOI_BSRR (GPIOI_BASE + 0x0018)

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI;
static void __iomem *GPIOI_MODER_PI;
static void __iomem *GPIOI_OTYPER_PI;
static void __iomem *GPIOI_OSPEEDR_PI;
static void __iomem *GPIOI_PUPDR_PI;
static void __iomem *GPIOI_BSRR_PI;

void led_switch(u8 sta)
{
    u32 val = 0;
    if(sta == LEDON) {
        val = readl(GPIOI_BSRR_PI);
        val |= (1 << 16);
        writel(val, GPIOI_BSRR_PI);
    }else if(sta == LEDOFF) {
        val = readl(GPIOI_BSRR_PI);
        val |= (1 << 0);
        writel(val, GPIOI_BSRR_PI);
    }
}

void led_unmap(void)
{
    iounmap(MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI);
    iounmap(GPIOI_MODER_PI);
    iounmap(GPIOI_OTYPER_PI);
    iounmap(GPIOI_OSPEEDR_PI);
    iounmap(GPIOI_PUPDR_PI);
    iounmap(GPIOI_BSRR_PI);
}

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

static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf,
                        size_t cnt, loff_t *offt)
{
    return 0;
}

static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
                         size_t cnt, loff_t *offt)
{
    int retvalue;
    unsigned char databuf[1];
    unsigned char ledstat;

    retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
    if(retvalue < 0) {
        printk("kernel write failed!\r\n");
        return -EFAULT;
    }

    ledstat = databuf[0];

    if(ledstat == LEDON) {
        led_switch(LEDON);
    } else if(ledstat == LEDOFF) {
        led_switch(LEDOFF);
    }
    return 0;
}

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

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

static int __init led_init(void)
{
    int retvalue = 0;
    u32 val = 0;

    MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI = ioremap(RCC_MP_AHB4ENSETR, 4);
    GPIOI_MODER_PI = ioremap(GPIOI_MODER, 4);
    GPIOI_OTYPER_PI = ioremap(GPIOI_OTYPER, 4);
    GPIOI_OSPEEDR_PI = ioremap(GPIOI_OSPEEDR, 4);
    GPIOI_PUPDR_PI = ioremap(GPIOI_PUPDR, 4);
    GPIOI_BSRR_PI = ioremap(GPIOI_BSRR, 4);

    val = readl(MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI);
    val &= ~(0X1 << 8);
    val |= (0X1 << 8);
    writel(val, MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI);

    val = readl(GPIOI_MODER_PI);
    val &= ~(0X3 << 0);
    val |= (0X1 << 0);
    writel(val, GPIOI_MODER_PI);

    val = readl(GPIOI_OTYPER_PI);
    val &= ~(0X1 << 0);
    writel(val, GPIOI_OTYPER_PI);

    val = readl(GPIOI_OSPEEDR_PI);
    val &= ~(0X3 << 0);
    val |= (0x2 << 0);
    writel(val, GPIOI_OSPEEDR_PI);

    val = readl(GPIOI_PUPDR_PI);
    val &= ~(0X3 << 0);
    val |= (0x1 << 0);
    writel(val,GPIOI_PUPDR_PI);

    val = readl(GPIOI_BSRR_PI);
    val |= (0x1 << 0);
    writel(val, GPIOI_BSRR_PI);

    retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
    if(retvalue < 0){
        printk("register chrdev failed!\r\n");
        goto fail_map;
    }
    return 0;

fail_map:
    led_unmap();
    return -EIO;
}

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

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("LXS");
MODULE_INFO(intree, "Y");

2. 测试 APP

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#define LEDOFF 0
#define LEDON 1

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];

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

    databuf[0] = atoi(argv[2]);

    retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
    if(retvalue < 0){
        printf("LED Control Failed!\r\n");
        close(fd);
        return -1;
    }

    retvalue = close(fd);
    if(retvalue < 0){
        printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
        return -1;
    }
    return 0;
}

三、运行测试

1. 编译驱动程序

  依然是利用 Makefile 文件把 chrdevbase.c 编译为 chrdevbase.ko 模块：

KERNELDIR := /home/alientek/linux/atk-mpl/linux/my_linux/linux-5.4.31	# Linux内核源码路径
CURRENT_PATH := $(shell pwd)		# 获取当前所处路径
obj-m := led.o		

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

  之后在 /linux/atk-mpl/Drivers/2_led 路径下输入：

make -j32

2. 编译测试 APP

  因为要在 ARM 上面运行，所以要用交叉编译器：

arm-none-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp

3. 运行测试

  将 led.ko 和 ledApp 拷贝到 /linux/nfs/rootfs/lib/modules/5.4.31 路径下：

sudo cp ledApp led.ko /home/alientek/linux/nfs/rootfs/lib/modules/5.4.31/ -f

  加载 led.ko 驱动模块：ls

depmod
modprobe led    # 加载驱动
lsmod           # 查看加载的驱动

  驱动加载成功后创建 "/dev/led" 设备节点：

mknod /dev/led c 200 0

  输入以下命令测试 LED：

# 打开 LED
./ledApp /dev/led 1

# 关闭 LED
./ledApp /dev/led 0

  如果开发版的红色 LED 能打开和关闭说明测试成功。卸载驱动：

rmmod led.ko