【正点原子Linux连载】第四十一章 嵌入式Linux LED驱动开发实验 -摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.0

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第四十一章 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I.MX6U-ALPHA开发板上有一个LED灯，我们在裸机篇中已经编写过此LED灯的裸机驱动，本章我们就来学习一下如何编写Linux下的LED灯驱动。

41.1 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I.MX6ULL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。I.MX6U-ALPHA开发板上的LED连接到I.MX6ULL的GPIO1_IO03这个引脚上，因此本章实验的重点就是编写Linux下I.MX6UL引脚控制驱动。关于I.MX6ULL的GPIO详细讲解请参考第八章。 41.1.1 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512MB的DDR3，这512MB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41.1.1所示：

图41.1.1 内存映射 物理内存只有512MB，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I.MX6ULL的GPIO1_IO03引脚的复用寄存器IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03的地址为0X020E0068。如果没有开启MMU的话直接向0X020E0068这个寄存器地址写入数据就可以配置GPIO1_IO03的复用功能。现在开启了MMU，并且设置了内存映射，因此就不能直接向0X020E0068这个地址写入数据了。我们必须得到0X020E0068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41.1.1.1 ioremap函数

1 #define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size),        MT_DEVICE)
2 
3 void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size,     unsigned int mtype)
4 {
5   return arch_ioremap_caller(phys_addr, size, mtype,
__builtin_return_address(0));
6 }

ioremap是个宏，有两个参数：cookie和size，真正起作用的是函数__arm_ioremap，此函数有三个参数和一个返回值，这些参数和返回值的含义如下：
phys_addr：要映射给的物理起始地址。
size：要映射的内存空间大小。
mtype：ioremap的类型，可以选择MT_DEVICE、MT_DEVICE_NONSHARED、MT_DEVICE_CACHED和MT_DEVICE_WC，ioremap函数选择MT_DEVICE。
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I.MX6ULL的IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03寄存器对应的虚拟地址，使用如下代码即可：

#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068) static void __iomem* SW_MUX_GPIO1_IO03; SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4); 宏SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE是寄存器物理地址，SW_MUX_GPIO1_IO03是映射后的虚拟地址。对于I.MX6ULL来说一个寄存器是4字节(32位)的，因此映射的内存长度为4。映射完成以后直接对SW_MUX_GPIO1_IO03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41.1.1.2 iounmap函数原型 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IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03寄存器的地址映射，使用如下代码即可： iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03); 41.1.2 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41.1.2.1 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41.1.2.2 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。

41.2 硬件原理图分析 本章实验硬件原理图参考8.3小节即可。 41.3 实验程序编写 本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、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I.MX6U-ALPHA开发板上的LED灯进行开关操作。 41.3.1 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41.3.1.1 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      : 左忠凯
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 2019/1/30 左忠凯创建
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 CCM_CCGR1_BASE              	(0X020C406C)    
30  #define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE      (0X020E0068)
31  #define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE      (0X020E02F4)
32  #define GPIO1_DR_BASE               	(0X0209C000)
33  #define GPIO1_GDIR_BASE             	(0X0209C004)
34  
35  /* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
36  static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
37  static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
38  static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
39  static void __iomem *GPIO1_DR;
40  static void __iomem *GPIO1_GDIR;
41  
42  /*
43   * @description	: LED打开/关闭
44   * @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
45   * @return       	: 无
46   */
47  void led_switch(u8 sta)
48  {
49      u32 val = 0;
50      if(sta == LEDON) {
51          val = readl(GPIO1_DR);
52          val &= ~(1