【正点原子MP157连载】第二十一章 嵌入式Linux LED驱动开发实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7

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第二十一章 嵌入式Linux LED驱动开发实验

上一章我们详细的讲解了字符设备驱动开发步骤，并且用一个虚拟的chrdevbase设备为例带领大家完成了第一个字符设备驱动的开发。本章我们就开始编写第一个真正的Linux字符设备驱动。在正点原子STM32MP157开发板上有一个LED灯，本章我们就来学习一下如何编写Linux下的LED灯驱动。

21.1 Linux下LED灯驱动原理 Linux下的任何外设驱动，最终都是要配置相应的硬件寄存器。所以本章的LED灯驱动最终也是对STM32MP157的IO口进行配置，与裸机实验不同的是，在Linux下编写驱动要符合Linux的驱动框架。开发板上的LED0连接到STM32MP157的PI0这个引脚上，因此本章实验的重点就是编写Linux下STM32MP157引脚控制驱动。 21.1.1 地址映射 在编写驱动之前，我们需要先简单了解一下MMU这个神器，MMU全称叫做Memory Manage Unit，也就是内存管理单元。在老版本的Linux中要求处理器必须有MMU，但是现在Linux内核已经支持无MMU的处理器了。MMU主要完成的功能如下： 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。 我们重点来看一下第①点，也就是虚拟空间到物理空间的映射，也叫做地址映射。首先了解两个地址概念：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，如图21.1.2所示：

图21.1.2 内存映射 物理内存只有1GB，虚拟内存有4GB，那么肯定存在多个虚拟地址映射到同一个物理地址上去，虚拟地址范围比物理地址范围大的问题处理器自会处理，这里我们不要去深究，因为MMU是很复杂的一个东西，后续有时间的话正点原子Linux团队会专门做MMU专题教程。 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)。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。 1、ioremap函数 ioremap函数用于获取指定物理地址空间对应的虚拟地址空间，定义在arch/arm/include/asm/io.h文件中，定义如下：

示例代码21.1.1.1 ioremap函数声明
393 void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size);
	函数的实现是在arch/arm/mm/ioremap.c文件中，实现如下：
示例代码21.1.1.2 ioremap函数实现
377 void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size)
378 {
379     return arch_ioremap_caller(res_cookie, size, MT_DEVICE,
380                    __builtin_return_address(0));
381 }
ioremap有两个参数：res_cookie和size，真正起作用的是函数

arch_ioremap_caller。ioremap函数有两个参数和一个返回值，这些参数和返回值的含义如下： res_cookie：要映射的物理起始地址。 size：要映射的内存空间大小。 返回值：__iomem类型的指针，指向映射后的虚拟空间首地址。 假如我们要获取STM32MP157-ATK的GPIOI_MODER寄存器对应的虚拟地址，使用如下代码即可：

#define GPIOI_MODER          		(0X5000A000)
static void __iomem*  					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，iounmap函数原型如下：

示例代码41.1.1.3 iounmap函数原型
413 void iounmap (volatile void __iomem *addr)

iounmap只有一个参数addr，此参数就是要取消映射的虚拟地址空间首地址。假如我们现在要取消掉GPIO_MODER_PI寄存器的地址映射，使用如下代码即可：

iounmap(GPIO_MODER_PI); 21.1.2 I/O内存访问函数 这里说的I/O是输入/输出的意思，并不是我们学习单片机的时候讲的GPIO引脚。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。但是对于ARM来说没有I/O空间这个概念，因此ARM体系下只有I/O内存(可以直接理解为内存)。使用ioremap函数将寄存器的物理地址映射到虚拟地址以后，我们就可以直接通过指针访问这些地址，但是Linux内核不建议这么做，而是推荐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 读操作函数有如下几个：

示例代码21.1.2.1 读操作函数
1 u8  readb(const volatile void __iomem *addr)
2 u16 readw(const volatile void __iomem *addr)
3 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

写操作函数有如下几个：

示例代码21.1.2.2 写操作函数
1 void writeb(u8 value,  volatile void __iomem *addr)
2 void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr)
3 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。

21.2 硬件原理图分析 我们先进行LED的硬件原理分析，打开开发板底板原理图，底板原理图和核心板原理图都放到了开发板光盘中，路径为:开发板光盘2、开发板原理图STM32MP15x底板原理图V1.X。开发板上有一个LED0，原理如图21.1.1所示：

图21.2.1 LED原理图 从图 21.2.1 可以看出，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。 21.3 实验程序编写 本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 1、Linux驱动例程-> 2_led。 本章实验编写Linux下的LED灯驱动，可以通过应用程序对开发板上的LED0进行开关操作。 21.3.1 LED灯驱动程序编写 新建名为“2_led”文件夹，然后在2_led文件夹里面创建VSCode工程，工作区命名为“led”。工程创建好以后新建led.c文件，此文件就是led的驱动文件，在led.c里面输入如下内容：

示例代码21.3.1.1 led.c驱动文件代码
1   #include 
2   #include 
3   #include 
4   #include 
5   #include 
6   #include 
7   #include 
8   #include 
9   #include 
10  #include 
11  #include 
12  /***************************************************************
13  Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
14  文件名    : led.c
15  作者      : 正点原子
16  版本      : V1.0
17  描述      : LED驱动文件。
18  其他      : 无
19  论坛      : www.openedv.com
20  日志      : 初版V1.0 2021/1/8 正点原子团队创建
21  ***************************************************************/
22  #define LED_MAJOR       200     	/* 主设备号 */
23  #define LED_NAME        "led"   	/* 设备名字 */
24 
25  #define LEDOFF  0               	/* 关灯 	*/
26  #define LEDON   1               	/* 开灯 	*/
27   
28  /* 寄存器物理地址 */
29  #define PERIPH_BASE           	(0x40000000)
30  #define MPU_AHB4_PERIPH_BASE   	(PERIPH_BASE + 0x10000000)
31  #define RCC_BASE                 	(MPU_AHB4_PERIPH_BASE + 0x0000) 
32  #define RCC_MP_AHB4ENSETR      	(RCC_BASE + 0XA28)
33  #define GPIOI_BASE              	(MPU_AHB4_PERIPH_BASE + 0xA000) 
34  #define GPIOI_MODER             	(GPIOI_BASE + 0x0000)   
35  #define GPIOI_OTYPER            	(GPIOI_BASE + 0x0004)   
36  #define GPIOI_OSPEEDR         	(GPIOI_BASE + 0x0008)   
37  #define GPIOI_PUPDR           	(GPIOI_BASE + 0x000C)   
38  #define GPIOI_BSRR              	(GPIOI_BASE + 0x0018)
39 
40 
41  /* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
42  static void __iomem *MPU_AHB4_PERIPH_RCC_PI;
43  static void __iomem *GPIOI_MODER_PI;
44  static void __iomem *GPIOI_OTYPER_PI;
45  static void __iomem *GPIOI_OSPEEDR_PI;
46  static void __iomem *GPIOI_PUPDR_PI;
47  static void __iomem *GPIOI_BSRR_PI;
48 
49  /*
50   * @description  	: LED打开/关闭
51   * @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
52   * @return       	: 无
53   */
54  void led_switch(u8 sta)
55  {
56      u32 val = 0;
57      if(sta == LEDON) {
58          val = readl(GPIOI_BSRR_PI);
59          val |= (1