树莓派3B点灯（4）-- 自写驱动（低级版）

发布于：2024-09-18 ⋅ 阅读:(8) ⋅ 点赞:(0)
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都说低级了，那么怎么说是低级呢？那就是直接操作寄存器了。突然想起很久以前做的路由器项目，当时增加了一个按键，就是在内核中直接读的寄存器位状态。当时很顺利，从接到任务，理解需求，查资料到交付，也就不到一周，所以印象不深。不过那时做的死循环这个印象深刻，换成现在肯定就是想做成中断来弄了。所以说低级并不是真的低级，只是现在封装做的很多了。光一个led，在内核中就有gpio，pinctrl，leds这几个封装库。对于二次开发来说，直接去操作寄存器的机会也不多了。但是理解操作寄存器，对于理解整个系统还是很重要，所以还是抽时间再来看这个。

还是先看看芯片手册是怎么写的

https://www.raspberrypi.org/app/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf

树莓派3B的芯片是BCM2837，但是据说IO口和2835是通用的。所以将就一起看了。

大概是这样的：

GPIO寄存器偏移

GPIO寄存器的偏移地址如下：

  • GPIO Function Select Registers (GPFSEL): 用于设置GPIO引脚的功能（输入、输出、其他功能）。
  • GPIO Pin Output Set Registers (GPSET): 用于设置GPIO引脚为高电平。
  • GPIO Pin Output Clear Registers (GPCLR): 用于设置GPIO引脚为低电平。
  • GPIO Pin Level Registers (GPLEV): 用于读取GPIO引脚的电平状态。

从上面图中也可以看到，具体偏移地址如下：

  • GPFSEL0 到 GPFSEL5: 0x0000 到 0x0014
  • GPSET0 到 GPSET1: 0x001C 到 0x0020
  • GPCLR0 到 GPCLR1: 0x0028 到 0x002C
  • GPLEV0 到 GPLEV1: 0x0034 到 0x0038

3. GPIO26的寄存器地址

GPIO26的寄存器地址计算如下：

  • Function Select Register: GPFSEL2 (因为GPIO26在21-29范围内)
  • Output Set Register: GPSET0 (因为GPIO26在0-31范围内)
  • Output Clear Register: GPCLR0 (因为GPIO26在0-31范围内)
  • Level Register: GPLEV0 (因为GPIO26在0-31范围内)

操作寄存器，就是需要位操作了，这部分之前写过，C的位操作-CSDN博客

在这里，博通文档的描述是0x7E200000，但是代码不这样用。因为ARM核心通过MMU映射过。

0x7E200000：这是 外设的总线地址（bus address），这是博通文档中提供的外设寄存器的地址。这个地址是博通芯片内部总线使用的物理地址。

0x3F200000：这是 物理地址（peripheral physical address），用于用户空间访问。树莓派的 Linux 内核中使用这个地址来映射外设寄存器，用户和内核都通过该地址访问 GPIO 和其他外设。0x7E200000 是总线地址，它表示设备在芯片总线上的位置。对于 ARM 核心，外设基地址从 0x7E000000 被重新映射到 0x3F000000，以便 ARM CPU 能够访问这些外设。（树莓派 4 的外设地址从 0xFE000000 开始，而不是 0x3F000000，因为树莓派 4 使用了不同的 MMU 地址映射策略。）

所以代码如下：

my_gpio_led.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/io.h>   // 用于内存映射IO
#include <linux/delay.h> // 延迟函数

#define BCM2837_PERI_BASE        0x3F000000  // 树莓派 3B 外设基地址
#define GPIO_BASE                (BCM2837_PERI_BASE + 0x200000)  // GPIO 基地址

#define GPFSEL2                  (gpio_base + 0x08)  // GPFSEL2 控制 GPIO 20-29
#define GPSET0                   (gpio_base + 0x1C)  // GPSET0 控制 GPIO 0-31 的置位
#define GPCLR0                   (gpio_base + 0x28)  // GPCLR0 控制 GPIO 0-31 的清除

#define GPIO_PIN                 26  // 使用 GPIO 26 控制 LED

static void __iomem *gpio_base;  // GPIO寄存器的映射基地址

// 初始化 GPIO26 为输出模式
static void gpio_init(void) {
    unsigned int reg_val;

    // 设置 GPIO26 为输出模式
    reg_val = ioread32(GPFSEL2);  // 读取 GPFSEL2 的值
    reg_val &= ~(7 << 18);        // 清除 GPIO26 的 FSEL 位 (三位控制每个 GPIO)
    reg_val |= (1 << 18);         // 设置 GPIO26 为输出 (001 = 输出)
    iowrite32(reg_val, GPFSEL2);  // 写回 GPFSEL2
}

// 点亮 LED (设置 GPIO26 输出高电平)
static void led_on(void) {
    iowrite32((1 << GPIO_PIN), GPSET0);  // 设置 GPIO26
}

// 关闭 LED (设置 GPIO26 输出低电平)
static void led_off(void) {
    iowrite32((1 << GPIO_PIN), GPCLR0);  // 清除 GPIO26
}

// 模块加载函数
static int __init my_led_init(void) {
    pr_info("LED GPIO Module loaded\n");

    // 映射 GPIO 基地址
    gpio_base = ioremap(GPIO_BASE, 0x100);  // 映射寄存器地址
    if (!gpio_base) {
        pr_err("Failed to map GPIO base address\n");
        return -EBUSY;
    }

    // 初始化 GPIO26 为输出模式
    gpio_init();

    // 点亮 LED
    led_on();
    pr_info("LED on (GPIO26)\n");

    return 0;
}

// 模块卸载函数
static void __exit my_led_exit(void) {
    // 关闭 LED
    led_off();
    pr_info("LED off (GPIO26)\n");

    // 解除 GPIO 基地址映射
    if (gpio_base)
        iounmap(gpio_base);

    pr_info("LED GPIO Module unloaded\n");
}

module_init(my_led_init);
module_exit(my_led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("fanged");
MODULE_DESCRIPTION("Direct GPIO control for LED on Raspberry Pi 3B");

首先通过ioremap映射地址。之前那些寄存器都是外设寄存器，在SOC里面作为一个子模块，首先MMU把这些子模块的寄存器，映射到了主内存中，这样便于操作。然后ioremap把物理地址映射成虚拟地址。

一个寄存器是32位，也就是4个byte，通过ioread32读出，iowrite32写入。

Makefile

```makefile
obj-m += my_gpio_led.o

all:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean
```

make编译之后，

直接sudo insmod my_gpio_led.ko马上就能看到灯亮了。

sudo rmmod my_gpio_led则可以关灯。

在树莓派 3B 上，直接通过操作寄存器控制 GPIO26 的 LED，而不使用 `gpio` 子系统和 `pinctrl` 子系统，可以通过直接访问 **Broadcom BCM2837 SoC** 的 GPIO 寄存器来实现。我们将通过内核模块，手动访问 GPIO 寄存器，并控制 GPIO26 的输出来点亮 LED。

### 1. 了解树莓派 GPIO 寄存器

树莓派的 GPIO 控制器有以下重要的寄存器：
- **GPIO Function Select Registers (`GPFSELx`)**：用于配置引脚的功能（输入、输出或其他外围功能）。
- **GPIO Pin Output Set Registers (`GPSETx`)**：用于设置 GPIO 引脚的输出（置位）。
- **GPIO Pin Output Clear Registers (`GPCLRx`)**：用于清除 GPIO 引脚的输出（复位）。

#### 树莓派 3B 的 GPIO26 对应的寄存器：
- **GPIO26** 对应于：
  - **GPFSEL2**：GPIO26 的功能选择寄存器（用于设置 GPIO26 为输出模式）。
  - **GPSET0**：用于将 GPIO26 置为高电平（点亮 LED）。
  - **GPCLR0**：用于将 GPIO26 置为低电平（关闭 LED）。

#### GPIO 基地址：
在树莓派 3B（BCM2837）上，**外设寄存器**的基地址为 `0x3F000000`。GPIO 寄存器位于基地址的偏移 `0x200000` 处，因此 GPIO 基地址为：
```
GPIO_BASE = 0x3F200000
```

### 2. 编写内核模块：直接操作寄存器控制 LED

下面的代码将通过直接访问 GPIO 寄存器控制 GPIO26 上的 LED。我们将手动设置 GPIO26 为输出模式，并控制它的电平。

#### `my_gpio_led.c`

```c
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/io.h>   // 用于内存映射IO
#include <linux/delay.h> // 延迟函数

#define BCM2837_PERI_BASE        0x3F000000  // 树莓派 3B 外设基地址
#define GPIO_BASE                (BCM2837_PERI_BASE + 0x200000)  // GPIO 基地址

#define GPFSEL2                  (gpio_base + 0x08)  // GPFSEL2 控制 GPIO 20-29
#define GPSET0                   (gpio_base + 0x1C)  // GPSET0 控制 GPIO 0-31 的置位
#define GPCLR0                   (gpio_base + 0x28)  // GPCLR0 控制 GPIO 0-31 的清除

#define GPIO_PIN                 26  // 使用 GPIO 26 控制 LED

static void __iomem *gpio_base;  // GPIO寄存器的映射基地址

// 初始化 GPIO26 为输出模式
static void gpio_init(void) {
    unsigned int reg_val;

    // 设置 GPIO26 为输出模式
    reg_val = ioread32(GPFSEL2);  // 读取 GPFSEL2 的值
    reg_val &= ~(7 << 18);        // 清除 GPIO26 的 FSEL 位 (三位控制每个 GPIO)
    reg_val |= (1 << 18);         // 设置 GPIO26 为输出 (001 = 输出)
    iowrite32(reg_val, GPFSEL2);  // 写回 GPFSEL2
}

// 点亮 LED (设置 GPIO26 输出高电平)
static void led_on(void) {
    iowrite32((1 << GPIO_PIN), GPSET0);  // 设置 GPIO26
}

// 关闭 LED (设置 GPIO26 输出低电平)
static void led_off(void) {
    iowrite32((1 << GPIO_PIN), GPCLR0);  // 清除 GPIO26
}

// 模块加载函数
static int __init my_led_init(void) {
    pr_info("LED GPIO Module loaded\n");

    // 映射 GPIO 基地址
    gpio_base = ioremap(GPIO_BASE, 0x100);  // 映射寄存器地址
    if (!gpio_base) {
        pr_err("Failed to map GPIO base address\n");
        return -EBUSY;
    }

    // 初始化 GPIO26 为输出模式
    gpio_init();

    // 点亮 LED
    led_on();
    pr_info("LED on (GPIO26)\n");

    return 0;
}

// 模块卸载函数
static void __exit my_led_exit(void) {
    // 关闭 LED
    led_off();
    pr_info("LED off (GPIO26)\n");

    // 解除 GPIO 基地址映射
    if (gpio_base)
        iounmap(gpio_base);

    pr_info("LED GPIO Module unloaded\n");
}

module_init(my_led_init);
module_exit(my_led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Direct GPIO control for LED on Raspberry Pi 3B");
```

### 3. 编写 `Makefile`

编写一个 `Makefile` 文件用于编译内核模块：

```makefile
obj-m += my_gpio_led.o

all:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

clean:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean
```

### 4. 编译和加载内核模块

1. **编译模块**：
   在 `my_gpio_led.c` 文件和 `Makefile` 所在目录下，执行以下命令进行编译：

   ```bash
   make
   ```

2. **加载模块**：
   使用 `insmod` 将编译好的内核模块加载到内核中：

   ```bash
   sudo insmod my_gpio_led.ko
   ```

3. **检查内核日志**：
   使用 `dmesg` 查看模块加载时的内核日志：

   ```bash
   dmesg | tail
   ```

   日志应显示 "LED on (GPIO26)"，表明 GPIO26 上的 LED 已经点亮。

4. **卸载模块**：
   当你想关闭 LED 并卸载模块时，使用以下命令：

   ```bash
   sudo rmmod my_gpio_led
   ```

   再次使用 `dmesg` 查看日志，应该显示 "LED off (GPIO26)"，表示 LED 已关闭。

### 5. 解释代码逻辑

- **`ioremap` 和 `iounmap`**：这些函数用于将物理地址映射到虚拟地址空间，允许内核模块访问设备的寄存器。我们通过 `ioremap` 将 GPIO 基地址映射到内存。
- **寄存器操作**：
  - `GPFSEL2`：设置 GPIO26 为输出模式。
  - `GPSET0`：将 GPIO26 设置为高电平，点亮 LED。
  - `GPCLR0`：将 GPIO26 设置为低电平，关闭 LED。
- **点亮和关闭 LED**：通过 `led_on()` 和 `led_off()` 函数直接操作 GPIO26 的寄存器。

### 6. 总结

在这个例子中，我们跳过了 Linux 的 `gpio` 和 `pinctrl` 子系统，直接操作树莓派 3B 的 GPIO 寄存器，通过 `ioremap` 将寄存器映射到内存，并直接控制 GPIO26 的电平来点亮和关闭 LED。

这种方法提供了更低级的硬件访问，但需要更多的寄存器级别的控制。如果您需要对 GPIO 进行更复杂的操作，通常建议使用 `gpio` 子系统和 `pinctrl` 子系统。

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