Linux驱动学习日记(13) Linux 环境下点灯

原理分析

硬件原理

在前面的学习日志中已经提到。

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。
其中地址映射指的是虚拟空间到物理空间的映射，对于32位的处理器来说，虚拟地址(VA)的范围是2^32 = 4 GB，而板载内存只有512MB，经过 MMU 可以将其映射到整个的 4GB 虚拟空间，如下图所示

图 1 地址映射

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。

ioremap

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：

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

ioremap 是个宏，有两个参数：cookie 和 size，这里的 cookie 是要映射的物理起始地址，size 是要映射的内存空间大小。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);

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

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)

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);

I/O 内存访问函数

这里说的 I/O 指的是输入输出。这里及到两个概念：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。

读操作函数

读操作函数有以下几个，分别对应8bit、16bit、32bit的操作

u8  readb(const volatile void __iomem *addr)
u16 readw(const volatile void __iomem *addr)
u32 readl(const volatile void __iomem *addr)

写操作函数

写操作函数有如下几个，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。

void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr)
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr)
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr)

程序编写

驱动文件

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.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     // 设备号
#define LED_NAME    "LED"   // 设备名称

#define LED_OFF     0       // 关灯
#define LED_ON      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)

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;

void Led_Switch(u8 sta)
{
    u32 val = 0;
    if(sta == LED_OFF)
    {
        val = readl(GPIO1_DR);
        val &= ~(1 << 3);
        writel(val,GPIO1_DR);
    }
    else if(sta == LED_ON)
    {
        val = readl(GPIO1_DR);
        val |= (1 << 3);
        writel(val,GPIO1_DR);
    }
}

static int led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
{
    return 0;
}

static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf,size_t cnt,loff_t *offt)
{
    return 0;
}

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\n");
        return -EFAULT; 
    }
    ledstat = databuf[0];
    
    if(ledstat == LED_ON)
        Led_Switch(LED_ON);
    else if(ledstat == LED_OFF)
        Led_Switch(LED_OFF);
    return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static struct file_operations led_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = led_open,
    .read = led_read,
    .write = led_write,
    .release = led_release,
};

static int __init led_init(void)
{
    int retvalue = 0;
    u32 val = 0;

    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);
    
    val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
    val &= ~(3 << 26);
    val |= (3 << 26);
    writel(val,IMX6U_CCM_CCGR1);

    writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);

    val = readl(GPIO1_GDIR);
    val &= ~(1 << 3);
    val |= (1 << 3);
    writel(val, GPIO1_GDIR);
    
    val = readl(GPIO1_DR);
    val |= (1 << 3);
    writel(val, GPIO1_DR);

    retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
    if(retvalue < 0){
        printk("register chrdev failed!\r\n");
        return -EIO;
    }
    return 0;
}

static void __exit led_exit(void)
{
    iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
    iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
    iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
    iounmap(GPIO1_DR);
    iounmap(GPIO1_GDIR);

    unregister_chrdev(LED_MAJOR,LED_NAME);

}

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

测试文件

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

static char usrdata[] = {"usr data!"};

int main(int argc,char* argv[])
{
    int fd, retvalue;
    char *filename;
    unsigned char databuf[1];

    if(argc != 3)
    {
        printf("Error Usage!\n");
        return -1;
    }

    filename = argv[1];
    fd  = open(filename, O_RDWR);
    if(fd < 0){
        printf("Can't open file %s\r\n", filename);
        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));   

    retvalue = close(fd);
    if(retvalue < 0){
        printf("Can't close file %s\r\n", filename);
        return -1;
    }
    return 0;
}

运行测试

装载驱动后，运行 ./ledtest /dev/led 0(1) 即可控制LED灯的亮灭。