imx6ull-驱动开发篇4——LED 驱动开发实验

发布于：2025-07-31 ⋅ 阅读:(16) ⋅ 点赞:(0)

目录

前言

驱动原理

地址映射

地址转换函数

ioremap函数

iounmap函数

I/O 内存访问函数

读操作函数

写操作函数

实验程序编写

led.c文件

ledApp.c

Makefile

编译代码

运行测试

前言

在上一讲实验里，字符设备驱动开发实验，我们使用了一个虚拟设备chrdevbase，完整地编写一个字符设备驱动模块，并进行测试，一切OK。

这讲实验，开始编写第一个真正的 Linux 字符设备驱动：LED 灯驱动。

在 I.MX6U-ALPHA 开发板上有一个 LED 灯，我们在裸机篇中已经学习过此 LED 灯的裸机驱动，详细可见之前的博客：

裸机学习实验1——汇编LED灯实验

裸机学习实验2——C语言版LED灯实验

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。在 Linux 下编写驱动要符合 Linux的驱动框架，对LED灯的IO 口进行配置。

地址映射

MMU 全称叫做 Memory Manage Unit，也就是内存管理单元。

MMU 主要完成的功能如下：

  • 完成虚拟空间到物理空间的映射。
  • 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。

地址映射：虚拟空间到物理空间的映射。这就是MMU的第一个功能。

概念​​

​​虚拟地址 (VA)​​

​​物理地址 (PA)​​

​​含义​​

程序看到的地址（由CPU生成）

实际内存硬件的地址

​​可见性​​

对应用程序可见（如指针值）

对应用程序透明（不可见）

​​管理方​​

操作系统（MMU + 页表）

内存控制器（硬件）

对于 32 位的处理器来说，虚拟地址范围是 2^32=4GB。

正点原子开发板上有 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：

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。

地址转换函数

由裸机篇分析过的硬件原理图和芯片资料，我们知道：

I.MX6U-ALPHA 开发板上的 LED 连接到 I.MX6ULL 的 GPIO1_IO03 这个引脚上，而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。

但现在开启了 MMU，并且设置了内存映射，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。

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，如下：

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

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));
}

ioremap宏​：用于将​​物理地址（Physical Address, PA）​​映射到​​内核虚拟地址（VA）​​。​

  • cookie：要映射的物理地址（phys_addr_t）。
  • size：映射的内存区域大小。
  • 默认使用 MT_DEVICE（设备内存类型）。

__arm_ioremap函数:  实际调用 arch_ioremap_caller完成地址映射。

  • phys_addr：物理地址。
  • size：映射大小。
  • mtype：内存类型（如 MT_DEVICE或 MT_MEMORY）。
  • __builtin_return_address(0)用于获取调用者的返回地址（调试用）。
  • 返回值：返回 void __iomem *类型的内核虚拟地址，用于访问设备内存。

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。

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：

void iounmap (volatile void __iomem *addr)

  • ​解除内存映射​​：释放由 ioremap或类似函数（如 devm_ioremap）建立的 ​​物理地址到内核虚拟地址的映射​​。

  • ​​必须配对使用​​：每次 ioremap后必须调用 iounmap，否则会导致内存泄漏或内核错误。

iounmap 只有一个参数 addr：

  • 要解除映射的​​内核虚拟地址​​（即 ioremap的返回值）。
  • volatile表示该地址可能被硬件异步修改，禁止编译器优化访问。
  • __iomem标记该地址指向设备内存（非普通RAM），需使用专用读写函数。

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);

I/O 内存访问函数

I/O 端口和 I/O 内存的概念如下：

  • 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。

linux下使用一组操作函数来对映射后的内存进行读写操作。

读操作函数

这些函数用于​​安全读取设备内存（MMIO）​​，分别对应 ​​8位（字节）、16位（字）、32位（长字）​​ 的读取操作。

u8  readb(const volatile void __iomem *addr);  // 读取 1 字节（8位）
u16 readw(const volatile void __iomem *addr);  // 读取 2 字节（16位）
u32 readl(const volatile void __iomem *addr);  // 读取 4 字节（32位）
  • 参数 addr 就是要读取写内存地址，
  • 返回值就是读取到的数据。

写操作函数

这些函数用于​​安全写入设备内存（MMIO）​​，分别对应 ​​8位（字节）、16位（字）、32位（长字）​​ 的写入操作。

void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr);   // 写入 1 字节（8位）
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr);  // 写入 2 字节（16位）
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr);  // 写入 4 字节（32位）
  • 参数 value 是要写入的数值，
  • addr 是要写入的地址。

实验程序编写

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。 

新建名为“02_led”文件夹，然后在 02_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，ledApp.c文件，Makefile文件。

led.c文件

led.c就是 led 的驱动文件，主要代码如下：

#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 CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)	
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE				(0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE				(0X0209C004)

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

/*
 * @description		: LED打开/关闭
 * @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
 * @return 			: 无
 */
void led_switch(u8 sta)
{
	u32 val = 0;
	if(sta == LEDON) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val &= ~(1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}else if(sta == LEDOFF) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val|= (1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}	
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
 */
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
 */
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];		/* 获取状态值 */

	if(ledstat == LEDON) {	
		led_switch(LEDON);		/* 打开LED灯 */
	} else if(ledstat == LEDOFF) {
		led_switch(LEDOFF);	/* 关闭LED灯 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations led_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	int retvalue = 0;
	u32 val = 0;

	/* 初始化LED */
	/* 1、寄存器地址映射 */
  	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
	SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
  	SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
	GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);

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

	/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
	 *    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
	 */
	writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
	
	/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03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_GPIO1_IO03);

	/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
	val = readl(GPIO1_GDIR);
	val &= ~(1 << 3);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (1 << 3);	/* 设置为输出 */
	writel(val, GPIO1_GDIR);

	/* 5、默认关闭LED */
	val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);

	/* 6、注册字符设备驱动 */
	retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
	if(retvalue < 0){
		printk("register chrdev failed!\r\n");
		return -EIO;
	}
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	/* 取消映射 */
	iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
	iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
	iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
	iounmap(GPIO1_DR);
	iounmap(GPIO1_GDIR);

	/* 注销字符设备驱动 */
	unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("huax");

ledApp.c

编写测试 APP， led 驱动加载成功以后，手动创建/dev/led 节点，应用 APP 通过操作/dev/led文件来完成对 LED 设备的控制。

向/dev/led 文件写 0 表示关闭 LED 灯，写 1 表示打开 LED 灯。

ledApp.c文件代码如下：

#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

/*
 * @description		: main主程序
 * @param - argc 	: argv数组元素个数
 * @param - argv 	: 具体参数
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
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 */
	fd = open(filename, O_RDWR);
	if(fd < 0){
		printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	databuf[0] = atoi(argv[2]);	/* 要执行的操作：打开或关闭 */

	/* 向/dev/led文件写入数据 */
	retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
	if(retvalue < 0){
		printf("LED Control Failed!\r\n");
		close(fd);
		return -1;
	}

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

Makefile

编写 Makefile 文件，如下：

KERNELDIR := /home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga

CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := led.o

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

编译代码

输入 make -j32 编译出驱动模块文件：

编译成功以后就会生成一个名为“led.ko”的驱动模块文件。

输入 arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp 编译测试 ledApp.c 这个测试程序：

编译成功以后就会生成 ledApp 这个应用程序。

运行测试

将编译出来的led.ko和ledApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录 lib/modules/4.1.15 中。

输入如下命令加载 led.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe led.ko //加载驱动

驱动加载成功以后创建“/dev/led”设备节点，命令如下：

mknod /dev/led c 200 0

驱动节点创建成功以后就可以使用 ledApp 软件来测试驱动是否工作正常。

输入如下命令打开 LED 灯：

./ledApp /dev/led 1 //打开 LED 灯

输入如下命令关闭 LED 灯：

./ledApp /dev/led 0 //关闭 LED 灯

通过这两个命令控制LED灯的亮灭，观察LED灯是否工作正常。

如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod led.ko

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