【Linux筆記】通俗易懂的LED驅動筆記

前言

上一篇我們分享了字符設備驅動框架，當時分享的是hello驅動程序。學STM32我們從點燈開始，學Linux驅動我們自然也要點個燈來玩玩，儘量在從這些基礎例程中榨取知識，細摳、細摳，爲之後更復雜的知識打好基礎。

與硬件無關的LED驅動

回顧hello驅動程序，我們的根據實際需求對其進行寫字符串與讀字符串操作。這裏我們當然也要根據實際來思考我們的LED驅動程序。在STM32點燈的時候，一般輸出低電平點燈，輸出高電平滅燈。在嵌入Linux操作系統的情況下，我們自然也要想到有個寫1/0的思想。類比我們上一篇的hello程序：

我們的LED程序自然要寫入的數據爲0/1來點亮、熄滅LED。這裏我們做的實驗室與硬件無關的LED實驗：我們的驅動程序在收到應用程序發送過來的0時打印led on、收到1時打印led off。模仿上一篇的hello程序，我們修改得到的與硬件無關的LED程序（核心部分）如下：

LED應用程序：

LED驅動程序：

加載led驅動模塊及運行應用程序：

與硬件有關的LED驅動

上面那一節分享的是與硬件無關的LED驅動實驗，主要是爲了理清LED驅動的大體思路。這裏我們再加入與硬件有關的相關操作以構造與硬件有關的LED驅動程序。

我們在進行STM32的裸機編程的時候，對一些外設進行配置其實就是操作一些地址的過程，這些外設地址在芯片手冊中可以看到：

這是地址映射圖，這裏圖中只是列出的外設的邊界地址，每個外設又有很多寄存器，這些寄存器的地址都是對外設基地址進行偏移得到的。同樣的，對於NXP的IMX6ULL芯片來說，也是有類似這樣的地址的：

此時我們要編寫Linux系統下的led驅動，涉及到硬件操作的地方操作的並不是這些地址（物理地址），而是操作系統給我們提供的地址（虛擬地址）。

操作系統根據物理地址來給我們生成一個虛擬地址，我們的led驅動操控這個地址就是間接的操控物理地址。至於這兩個地址是怎麼聯繫起來的，裏面個原理我們暫且不展開。

我們從函數層面來看，內核給我們提供了ioremap 函數，這個函數可以把物理地址映射爲虛擬地址。這個函數在內核文件arch/arm/include/asm/io.h 中：

void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size);

• res_cookie：要映射給的物理起始地址 。
• size：要映射的內存空間大小。
• 返回值： 指向映射後的虛擬空間首地址。

與ioremap函數相對應的函數爲：

void iounmap (volatile void __iomem *addr)

• addr：要取消映射的虛擬地址空間首地址。

地址映射完成之後，我們可以直接通過指針來訪問虛擬地址，如：

*GPIO5_DR &= ~(1 << 3);  /* GPIO5_IO03輸出低電平 */
*GPIO5_DR |= (1 << 3);   /* GPIO5_IO03輸出高電平 */

這裏簡單介紹一下i.MX 6ULL的GPIO。對於i.MX 6ULL來說，以數字來給IO端口（組別）命令，GPIO5爲第五組，所以GPIO5_IO03爲第五組端口的第3個引腳。而STM32中是以大寫字母來表示端口（組別），如PA3表示A端口的第3個引腳。

i.MX 6ULL有 5 組 GPIO（GPIO1～ GPIO5），每組引腳最多有 32 個：

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

地址映射完成之後，我們不僅可以通過指針來訪問虛擬地址，而且還可以使用內核給我們提供的一些讀寫函數：

/* 寫操作函數 */
void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr);
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr);
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr);
/* 讀操作函數 */
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 這三個函數分別對應 8bit、 16bit 和 32bit 寫操作，參數 value 是要寫入的數值， addr 是要寫入的地址。

readb、 readw 和 readl 這三個函數分別對應 8bit、 16bit 和 32bit 讀操作，參數 addr 就是要讀取寫內存地址，返回值就是讀取到的數據。

此時我們可以把上一節的led_init函數led_drv_write函數進行修改：

與STM32一樣，對於i.MX 6ULL的GPIO外設來說，也有很多寄存器：

上面我們只是點一個燈，如果是要點多個燈呢？那就得操控多個GPIO。如果進行地址映射的寫法還像上面那樣，代碼就會顯得很臃腫。回想一下我們STM32，GPIO外設通過結構體來管理它的寄存器：

這裏的__IO是個宏，代表C語言的關鍵字volatile ，爲了防止編譯器對我們的一些硬件操作進行優化，從而得不到想要的結果。比如：

/* 假設REG爲寄存器的地址 */
uint32 *REG;
*REG = 0；  /* 點燈 */
*REG = 1；  /* 滅燈 */

此時若是REG不加volatile進行修飾，則點燈操作將被優化掉，只執行滅燈操作。

在這裏，我們也可以模仿STM32那樣子，用一個結構體來對i.MX 6ULL的GPIO的寄存器進行管理，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;
};

結構體裏的成員排序是要按照特定順序來的：

因爲這些寄存器都是相對於GPIO外設的基地址作偏移得到的，比如：

不能打亂順序，否則就不能正確訪問到對應的寄存器了。用結構體進行管理之後，我們就可以用類似下面的方式進行映射：

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

然後就可以向STM32那樣來操控GPIO寄存器，如：

GPIO5->DR &= ~(1 << 3);  /* GPIO5_IO03輸出低電平 */
GPIO5->DR |= (1 << 3);   /* GPIO5_IO03輸出高電平 */

與硬件有關的LED驅動（升級版）

上一節我們分享的LED驅動是一個常規的LED驅動，只能適用於我們當前的開發版，所以是一個專用的LED驅動程序。若是換了另一塊板，led所連接的gpio引腳可能不一樣了，我們就修改我們的驅動程序led_drv.c裏與寄存器相關的操作。有沒有更好的辦法不用再修改我們的led_drv.c驅動程序了？

若是led_drv.c不用再修改了，那麼這個led_drv.c驅動就是一個通用的驅動程序了。具體可查看韋東山老師的《嵌入式Linux應用開發完全手冊第2版》第五篇第3~7節進行學習。

下面來簡單地梳理一下：

由於篇幅問題，具體的部分就不貼出來了。

之前的筆記中：C語言、嵌入式重點知識：回調函數中我也有提到通用與專用的含義，可以瞭解瞭解加深對這兩個詞的認識。

這裏我們學到了很重要的思想軟件分層的思想及技巧，但也只是點了一下，未來的路還很長，需要持續學習，繼續提高。

以上就是本次的分享，如有錯誤，歡迎指出！謝謝

參考/學習資料：

• 百問網《嵌入式Linux應用開發完全手冊第2版》
• 正點原子《I.MX6U嵌入式Linux驅動開發指南V1.2》
• 野火《i.MX Linux開發實戰指南》