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【Linux笔记】LED驱动

前言

上一篇我们分享了字符设备驱动框架:嵌入式Linux驱动基础,当时分享的是hello驱动程序。学STM32我们从点灯开始,学Linux驱动我们自然也要点个灯来玩玩,尽量在从这些基础例程中榨取知识,细抠、细抠,为之后更复杂的知识打好基础。

与硬件无关的LED驱动

回顾hello驱动程序,我们的根据实际需求对其进行写字符串与读字符串操作。这里我们当然也要根据实际来思考我们的LED驱动程序。在STM32点灯的时候,一般输出低电平点灯,输出高电平灭灯。在嵌入Linux操作系统的情况下,我们自然也要想到有个写1/0的思想。类比我们上一篇的hello程序:

我们的LED程序自然要写入的数据为0/1来点亮、熄灭LED。这里我们做的实验室与硬件无关的LED实验:我们的驱动程序在收到应用程序发送过来的0时打印led on、收到1时打印led off。模仿上一篇的hello程序,我们修改得到的与硬件无关的LED程序(核心部分)如下:

LED应用程序:

LED驱动程序:

加载led驱动模块及运行应用程序:

与硬件有关的LED驱动

上面那一节分享的是与硬件无关的LED驱动实验,主要是为了理清LED驱动的大体思路。这里我们再加入与硬件有关的相关操作以构造与硬件有关的LED驱动程序。

我们在进行STM32的裸机编程的时候,对一些外设进行配置其实就是操作一些地址的过程,这些外设地址在芯片手册中可以看到:

这是地址映射图,这里图中只是列出的外设的边界地址,每个外设又有很多寄存器,这些寄存器的地址都是对外设基地址进行偏移得到的。同样的,对于NXP的IMX6ULL芯片来说,也是有类似这样的地址的:

此时我们要编写Linux系统下的led驱动,涉及到硬件操作的地方操作的并不是这些地址(物理地址),而是操作系统给我们提供的地址(虚拟地址)。操作系统根据物理地址来给我们生成一个虚拟地址,我们的led驱动操控这个地址就是间接的操控物理地址。至于这两个地址是怎么联系起来的,里面个原理我们暂且不展开。我们从函数层面来看,内核给我们提供了ioremap 函数,这个函数可以把物理地址映射为虚拟地址。这个函数在内核文件arch/arm/include/asm/io.h 中:

void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size);
  • res_cookie:要映射给的物理起始地址 。
  • size:要映射的内存空间大小。
  • 返回值: 指向映射后的虚拟空间首地址。

ioremap函数相对应的函数为:

void iounmap (volatile void __iomem *addr)
  • addr:要取消映射的虚拟地址空间首地址。

地址映射完成之后,我们可以直接通过指针来访问虚拟地址,如:

*GPIO5_DR &= ~(1 << 3);  /* GPIO5_IO03输出低电平 */
*GPIO5_DR |= (1 << 3);   /* GPIO5_IO03输出高电平 */

这里简单介绍一下i.MX 6ULL的GPIO。对于i.MX 6ULL来说,以数字来给IO端口(组别)命令,GPIO5为第五组,所以GPIO5_IO03为第五组端口的第3个引脚。而STM32中是以大写字母来表示端口(组别),如PA3表示A端口的第3个引脚。

i.MX 6ULL有 5 组 GPIO(GPIO1~ GPIO5),每组引脚最多有 32 个:

GPIO1 有 32 个引脚: GPIO1_IO0~GPIO1_IO31;
GPIO2 有 22 个引脚: GPIO2_IO0~GPIO2_IO21;
GPIO3 有 29 个引脚: GPIO3_IO0~GPIO3_IO28;
GPIO4 有 29 个引脚: GPIO4_IO0~GPIO4_IO28;
GPIO5 有 12 个引脚: GPIO5_IO0~GPIO5_IO11;

地址映射完成之后,我们不仅可以通过指针来访问虚拟地址,而且还可以使用内核给我们提供的一些读写函数:

/* 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);
/* 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);

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。

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。

此时我们可以把上一节的led_init函数led_drv_write函数进行修改:

与STM32一样,对于i.MX 6ULL的GPIO外设来说,也有很多寄存器:

上面我们只是点一个灯,如果是要点多个灯呢?那就得操控多个GPIO。如果进行地址映射的写法还像上面那样,代码就会显得很臃肿。回想一下我们STM32,GPIO外设通过结构体来管理它的寄存器:

这里的__IO是个宏,代表C语言的关键字volatile ,为了防止编译器对我们的一些硬件操作进行优化,从而得不到想要的结果。比如:

/* 假设REG为寄存器的地址 */
uint32 *REG;
*REG = 0;  /* 点灯 */
*REG = 1;  /* 灭灯 */

此时若是REG不加volatile进行修饰,则点灯操作将被优化掉,只执行灭灯操作。

在这里,我们也可以模仿STM32那样子,用一个结构体来对i.MX 6ULL的GPIO的寄存器进行管理,如:

struct GPIO_RegDef
{
  volatile unsigned int DR;
  volatile unsigned int GDIR;
  volatile unsigned int PSR;
  volatile unsigned int ICR1;
  volatile unsigned int ICR2;
  volatile unsigned int IMR;
  volatile unsigned int ISR;
  volatile unsigned int EDGE_SEL;
};

结构体里的成员排序是要按照特定顺序来的:

因为这些寄存器都是相对于GPIO外设的基地址作偏移得到的,比如:

不能打乱顺序,否则就不能正确访问到对应的寄存器了。用结构体进行管理之后,我们就可以用类似下面的方式进行映射:

struct GPIO_RegDef *GPIO5 = ioremap(0x20AC000, sizeof(struct GPIO_RegDef));

然后就可以向STM32那样来操控GPIO寄存器,如:

GPIO5->DR &= ~(1 << 3);  /* GPIO5_IO03输出低电平 */
GPIO5->DR |= (1 << 3);   /* GPIO5_IO03输出高电平 */

与硬件有关的LED驱动(升级版)

上一节我们分享的LED驱动是一个常规的LED驱动,只能适用于我们当前的开发版,所以是一个专用的LED驱动程序。若是换了另一块板,led所连接的gpio引脚可能不一样了,我们就修改我们的驱动程序led_drv.c里与寄存器相关的操作。有没有更好的办法不用再修改我们的led_drv.c驱动程序了?

若是led_drv.c不用再修改了,那么这个led_drv.c驱动就是一个通用的驱动程序了。具体可查看韦东山老师的《嵌入式Linux应用开发完全手册第2版》第五篇第3~7节进行学习

下面来简单地梳理一下:

由于篇幅问题,具体的部分就不贴出来了。

之前的笔记中:C语言、嵌入式重点知识:回调函数中我也有提到通用专用的含义,可以了解了解加深对这两个词的认识。

这里我们学到了很重要的思想软件分层的思想及技巧,但也只是点了一下,未来的路还很长,需要持续学习,继续提高。

以上就是本次的分享,如有错误,欢迎指出!谢谢

参考/学习资料:

  • 百问网《嵌入式Linux应用开发完全手册第2版》
  • 正点原子《I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.2》
  • 野火《i.MX Linux开发实战指南》

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