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本篇，就要來實際操作一下GPIO，實現(xiàn)板子上LED燈的亮滅控制。
在介紹如何通過寄存器來控制LED之前，需要先來了解一下有關(guān)Linux地址映射相關(guān)的知識。
1 地址映射
Linux或是STM32，對于硬件的控制，本質(zhì)都是操作寄存器，在對應(yīng)的地址進行數(shù)據(jù)的讀寫。若是在裸機開發(fā)中，可以控制CPU直接操作寄存器的地址，實現(xiàn)相應(yīng)的功能，其過程是這樣的：
linux環(huán)境，一般是不會直接訪問物理內(nèi)存，因為如果用戶不小心修改了內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，很有可能造成錯誤甚至系統(tǒng)崩潰。為了避免這些問題，linux內(nèi)核便引入了MMU和TLB進行內(nèi)存地址映射，通過訪問虛擬地址實現(xiàn)對實際物理地址的讀寫：
1.1 MMU介紹
MMU，Memory Manage Unit，即內(nèi)存管理單元，它提供統(tǒng)一的內(nèi)存空間抽象，程序通過訪問虛擬內(nèi)存中的地址，MMU將虛擬地址（Virtual Address）翻譯成實際的物理地址（Physical Address） ，之后CPU即可操作實際的物理地址。
MMU具有如下功能：
- 保護內(nèi)存：MMU給一些指定的內(nèi)存塊設(shè)置了讀、寫以及可執(zhí)行的權(quán)限，這些權(quán)限存儲在頁表當(dāng)中，MMU會檢查CPU當(dāng)前所處的是特權(quán)模式還是用戶模式，只有和操作系統(tǒng)所設(shè)置的權(quán)限匹配才可以訪問。提供方便統(tǒng)一的內(nèi)存空間抽象，實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換：CPU可以運行在虛擬的內(nèi)存當(dāng)中，虛擬內(nèi)存一般要比實際的物理內(nèi)存大很多，使得CPU可以運行比較大的應(yīng)用程序。
1.2 TLB介紹
TLB，Translation Lookaside Buffer，即轉(zhuǎn)譯后備緩沖器，也稱頁表緩存，里面存放的是一些頁表文件（虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換表），又稱為快表技術(shù)。
當(dāng)CPU第一次查找一個虛擬地址時，硬件通過3級頁表（page table）得到最終的PPN（Physical Page Number），TLB會保存虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。這樣在下一次訪問同一個虛擬地址時，處理器通過查看TLB來直接返回物理地址，而不需要通過page table得到結(jié)果，從而提高地址轉(zhuǎn)換的效率。
1.3 I/O映射函數(shù)
Linux內(nèi)核啟動的時候會初始化MMU，設(shè)置好內(nèi)存映射，設(shè)置好以后CPU訪問的都是虛擬地址。
那在程序編寫的時候，如何進行物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存之間的轉(zhuǎn)換呢？這就需要用到兩個函數(shù)：ioremap和iounmap。
ioremap()
ioremap函數(shù)用將物理地址映射為虛擬地址。
#define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE)
/**
* paddr: 被映射的 IO 起始地址（物理地址）
* size: 需要映射的空間大小，以字節(jié)為單位
* return: 一個指向__iomem類型的指針，映射成功后便返回一段虛擬地址空間的起始地址
*/
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));
}
iounmap()
iounmap函數(shù)的作用是釋放掉ioremap函數(shù)所做的映射，即反向操作，在卸載驅(qū)動的時候需要調(diào)用。
/**
* addr: 要取消映射的虛擬地址空間首地址
* return: void
*/
void iounmap (volatile void __iomem *addr)
1.4 I/O內(nèi)存訪問函數(shù)
在使用ioremap函數(shù)將物理地址轉(zhuǎn)換成虛擬地址之后，理論上我們便可以直接讀寫 I/O 內(nèi)存，但是為了符合驅(qū)動的跨平臺以及可移植性，我們應(yīng)該使用 linux 中指定的函數(shù)（如：iowrite8()、iowrite16()、iowrite32()、ioread8()、ioread16()、ioread32() 等）去讀寫 I/O 內(nèi)存，而非直接通過映射后的指向虛擬地址的指針進行訪問。讀寫 I/O 內(nèi)存的函數(shù)如下：
unsigned int ioread8(void __iomem *addr); /*讀取一個字節(jié)*/
unsigned int ioread16(void __iomem *addr); /*讀取一個字*/
unsigned int ioread32(void __iomem *addr); /*讀取一個雙字*/
void iowrite8(u8 b, void __iomem *addr); /*寫入一個字節(jié)*/
void iowrite16(u16 b, void __iomem *addr); /*寫入一個字*/
void iowrite32(u32 b, void __iomem *addr); /*寫入一個雙字*/
對于讀I/O而言，他們都只有一個 __iomem 類型指針的參數(shù)，指向被映射后的地址，返回值為讀取到的數(shù)據(jù)；
對于寫I/O而言他們都有兩個參數(shù)，第一個為要寫入的數(shù)據(jù)，第二個參數(shù)為要寫入的地址，返回值為空。
與這些函數(shù)相似的還有writeb、writew、writel、readb、readw、readl 等
u8 readb(const volatile void __iomem *addr);
u16 readw(const volatile void __iomem *addr);
u32 readl(const volatile void __iomem *addr);
void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr);
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr);
void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr);
在 ARM 架構(gòu)下，writex（readx）函數(shù)與 iowritex（ioreadx）有一些區(qū)別，writex（readx）不進行端序的檢查，而 iowritex（ioreadx）會進行端序的檢查。
2 程序編寫
2.1 LED驅(qū)動程序
led驅(qū)動也是屬于字符設(shè)備驅(qū)動的，之前介紹了新舊兩種字符驅(qū)動的寫法，本篇led驅(qū)動就按照新字符設(shè)置驅(qū)動的寫法來編寫。
關(guān)于新字符設(shè)備的驅(qū)動模塊，可參考之前的文章：【i.MX6ULL】驅(qū)動開發(fā)2——新字符設(shè)備開發(fā)模板
這里再放一張新字符設(shè)備模板的框架圖：
2.1.1 字符設(shè)備的基本框架
//字符設(shè)備結(jié)構(gòu)體
struct newchrled_dev{
dev_t devid; /* 設(shè)備號 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 類 */
struct device *device; /* 設(shè)備 */
int major; /* 主設(shè)備號 */
int minor; /* 次設(shè)備號 */
};
struct newchrled_dev chrdevled; /* led設(shè)備 */
//打開 讀取 寫入 釋放, 基礎(chǔ)文件操作函數(shù)
static int chrdevled_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*設(shè)置chrdevled為私有數(shù)據(jù)*/
return 0;
}
static ssize_t chrdevled_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
static ssize_t chrdevled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
static int chrdevled_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
//設(shè)備操作函數(shù)結(jié)構(gòu)體
static struct file_operations chrdevled_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = chrdevled_open,
.read = chrdevled_read,
.write = chrdevled_write,
.release = chrdevled_release,
};
//驅(qū)動入口函數(shù)
static int __init chrdevled_init(void)
{
/* 初始化LED */
/* 注冊字符設(shè)備驅(qū)動（操作chrdevled_fops） */
return 0;
}
//驅(qū)動出口函數(shù)
static void __exit chrdevled_exit(void)
{
/* 取消IO映射 */
/* 注銷字符設(shè)備驅(qū)動 */
}
//驅(qū)動的入口和出口函數(shù)
module_init(chrdevled_init);
module_exit(chrdevled_exit);
//LICENSE和作者信息
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("xxpcb");
2.1.2 具體完善
1）GPIO寄存器宏定義
需要配置相關(guān)的寄存器，就要對照著LED這個GPIO的硬件按需配置。
有關(guān)GPIO的各種寄存器的使用原理介紹，請參考上篇文章的介紹。
/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE (0X020C406C)
#define SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE (0X02290014)
#define SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE (0X02290058)
#define GPIO5_DR_BASE (0X020AC000)
#define GPIO5_GDIR_BASE (0X020AC004)
/* 映射后的寄存器虛擬地址指針 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_SNVS_TAMPER3;
static void __iomem *SW_PAD_SNVS_TAMPER3;
static void __iomem *GPIO5_DR;
static void __iomem *GPIO5_GDIR;
- CCM 是用來進行時鐘的使能，其寄存器包括CCGR0~CCGR6，因為LED用到GPIO屬于GPIO5，它對應(yīng)的時鐘配置寄存器就是CCM_CCGR1MUX 是用來將IO復(fù)用為GPIOPAD 是用來配置IO的基本參數(shù)（驅(qū)動能力、壓擺率、上下拉等）GPIO5_DR 數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)GPIO為輸出模式時，用來設(shè)置對應(yīng)的高低電平GPIO5_GDIR 方向寄存器，用來設(shè)置輸入還是輸出
以上是先對這些需要使用的寄存器的地址聲明宏定義（這些寄存器的地址可通過查閱i.MX6ULL數(shù)據(jù)手冊得到），然后再聲明對應(yīng)的虛擬地址的指針，因為Linux開始MMU后，就不能直接對寄存器的地址直接操作了，需要使用映射后的虛擬地址。
2）GPIO硬件初始化
主要包括以下幾步：
- 寄存器地址映射：將需要用的寄存器的物理地址映射為虛擬地址使能GPIO1時鐘：就是配置CCM_CCGR1寄存器設(shè)置GPIO5_IO03的復(fù)用功能：配置MUX和PAD寄存器設(shè)置GPIO5_IO03為輸出功能：配置GPIO5_GDIR方向寄存器初始默認關(guān)閉LED：配置GPIO5_DR數(shù)據(jù)寄存器
具體配置過程如下，主要這里使用"與"和"或"的位運算操作，來配置寄存器中對應(yīng)位的值。
static void led_hardware_init(void)
{
u32 val = 0;
/* 1、寄存器地址映射 */
IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
SW_MUX_SNVS_TAMPER3 = ioremap(SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE, 4);
SW_PAD_SNVS_TAMPER3 = ioremap(SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE, 4);
GPIO5_DR = ioremap(GPIO5_DR_BASE, 4);
GPIO5_GDIR = ioremap(GPIO5_GDIR_BASE, 4);
/* 2、使能GPIO1時鐘 */
val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
val &= ~(3 << 26); /* 清除以前的設(shè)置 */
val |= (3 << 26); /* 設(shè)置新值 */
writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);
/* 3、設(shè)置GPIO5_IO03的復(fù)用功能，將其復(fù)用為GPIO5_IO03，最后設(shè)置IO屬性 */
writel(5, SW_MUX_SNVS_TAMPER3);
/*寄存器SW_PAD_SNVS_TAMPER3設(shè)置IO屬性
*bit 16:0 HYS關(guān)閉
*bit [15:14]: 00 默認下拉
*bit [13]: 0 kepper功能
*bit [12]: 1 pull/keeper使能
*bit [11]: 0 關(guān)閉開路輸出
*bit [7:6]: 10 速度100Mhz
*bit [5:3]: 110 R0/6驅(qū)動能力
*bit [0]: 0 低轉(zhuǎn)換率
*/
writel(0x10B0, SW_PAD_SNVS_TAMPER3);
/* 4、設(shè)置GPIO5_IO03為輸出功能 */
val = readl(GPIO5_GDIR);
val &= ~(1 << 3); /* 清除以前的設(shè)置 */
val |= (1 << 3); /* 設(shè)置為輸出 */
writel(val, GPIO5_GDIR);
/* 5、默認關(guān)閉LED */
val = readl(GPIO5_DR);
val |= (1 << 3);
writel(val, GPIO5_DR);
}
3）字符設(shè)備初始化
需要定義led字符設(shè)備結(jié)構(gòu)體，來管理這個led設(shè)備。
/*newchr設(shè)備結(jié)構(gòu)體 */
struct newchrled_dev{
dev_t devid; /* 設(shè)備號 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 類 */
struct device *device; /* 設(shè)備 */
int major; /* 主設(shè)備號 */
int minor; /* 次設(shè)備號 */
};
struct newchrled_dev chrdevled; /* led設(shè)備 */
具體的led字符設(shè)備初始化流程:
- 初始化LED的GPIO（上面剛介紹）創(chuàng)建設(shè)備號初始化cdev字符設(shè)備添加cdev字符設(shè)備創(chuàng)建類創(chuàng)建設(shè)備
static int __init chrdevled_init(void)
{
/* 初始化LED */
led_hardware_init();
/* 注冊字符設(shè)備驅(qū)動 */
/* 1、創(chuàng)建設(shè)備號 */
if (chrdevled.major) /* 定義了設(shè)備號 */
{
chrdevled.devid = MKDEV(chrdevled.major, 0);
register_chrdev_region(chrdevled.devid, chrdevled_CNT, chrdevled_NAME);
}
else /* 沒有定義設(shè)備號 */
{
alloc_chrdev_region(&chrdevled.devid, 0, chrdevled_CNT, chrdevled_NAME); /* 申請設(shè)備號 */
chrdevled.major = MAJOR(chrdevled.devid); /* 獲取分配號的主設(shè)備號 */
chrdevled.minor = MINOR(chrdevled.devid); /* 獲取分配號的次設(shè)備號 */
}
printk("chrdevled major=%d,minor=%d\n",chrdevled.major, chrdevled.minor);
/* 2、初始化cdev */
chrdevled.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&chrdevled.cdev, &chrdevled_fops);
/* 3、添加一個cdev */
cdev_add(&chrdevled.cdev, chrdevled.devid, chrdevled_CNT);
/* 4、創(chuàng)建類 */
chrdevled.class = class_create(THIS_MODULE, chrdevled_NAME);
if (IS_ERR(chrdevled.class))
{
return PTR_ERR(chrdevled.class);
}
/* 5、創(chuàng)建設(shè)備 */
chrdevled.device = device_create(chrdevled.class, NULL, chrdevled.devid, NULL, chrdevled_NAME);
if (IS_ERR(chrdevled.device))
{
return PTR_ERR(chrdevled.device);
}
printk("chrdevled init done!\n");
return 0;
}
4）LED亮滅控制
驅(qū)動程序中，對于LED的控制，可以分為兩步。
第一步是接收和解析應(yīng)用層發(fā)來的控制數(shù)據(jù)（0或1來控制亮滅），將控制參數(shù)傳遞給具體的開關(guān)led的函數(shù)：
static ssize_t chrdevled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
unsigned char databuf[1];
unsigned char ledstat;
/* 接收用戶空間傳遞給內(nèi)核的數(shù)據(jù)并且打印出來 */
if(0 != copy_from_user(databuf, buf, cnt))
{
printk("kernel recevdata failed!\n");
return -EFAULT;
}
ledstat = databuf[0]; /* 獲取狀態(tài)值 */
if(ledstat == LEDON)
{
led_switch(LEDON); /* 打開LED燈 */
printk("led on!\n");
}
else if(ledstat == LEDOFF)
{
led_switch(LEDOFF); /* 關(guān)閉LED燈 */
printk("led off!\n");
}
return 0;
}
第二步就是根據(jù)指令參數(shù)，通過控制數(shù)據(jù)寄存器GPIO5_DR來實現(xiàn)GPIO的高低電平輸出，從而實現(xiàn)LED的亮滅：
void led_switch(u8 sta)
{
u32 val = 0;
if(sta == LEDON)
{
val = readl(GPIO5_DR);
val &= ~(1 << 3);
writel(val, GPIO5_DR);
}
else if(sta == LEDOFF)
{
val = readl(GPIO5_DR);
val|= (1 << 3);
writel(val, GPIO5_DR);
}
}
5）驅(qū)動退出
驅(qū)動不再使用時，需要注銷相關(guān)的設(shè)備：
首先釋放掉這些地址映射：
static void led_hardware_exit(void)
{
iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
iounmap(SW_MUX_SNVS_TAMPER3);
iounmap(SW_PAD_SNVS_TAMPER3);
iounmap(GPIO5_DR);
iounmap(GPIO5_GDIR);
}
具體的注銷過程：
static void __exit chrdevled_exit(void)
{
/* 取消IO映射 */
led_hardware_exit();
/* 注銷字符設(shè)備驅(qū)動 */
cdev_del(&chrdevled.cdev);/* 刪除cdev */
unregister_chrdev_region(chrdevled.devid, chrdevled_CNT); /* 注銷設(shè)備號 */
device_destroy(chrdevled.class, chrdevled.devid);
class_destroy(chrdevled.class);
printk("chrdevled exit done!\n");
}
驅(qū)動程序基本就是這些，完整的程序見我的gitee倉庫：https://gitee.com/xxpcb/imx6ull
2.2 LED應(yīng)用程序
寫完了驅(qū)動程序（BSP），還要寫對應(yīng)的應(yīng)用程序（APP）。
目前的應(yīng)用程序比較簡短，因為在Linux中，一切皆文件，所以，對于LED的控制，就是通過向文件中寫入0或1來實現(xiàn)LED的亮滅。
先來對0和1進行宏定義：
#define LEDOFF 0 /*長滅*/
#define LEDON 1 /*長亮*/
然后就是main函數(shù)了：
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];
/* 打開led驅(qū)動文件 */
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("Can't open file %s\r\n", filename);
return -1;
}
/* 要執(zhí)行的操作：打開或關(guān)閉 */
databuf[0] = atoi(argv[2]);
/* 向設(shè)備驅(qū)動(/dev/chrdevled)寫數(shù)據(jù) */
retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
if(retvalue < 0)
{
printf("write file %s failed!\r\n", filename);
close(fd);
return -1;
}
/* 關(guān)閉設(shè)備 */
retvalue = close(fd);
if(retvalue < 0)
{
printf("Can't close file %s\r\n", filename);
return -1;
}
return 0;
}
3 實驗測試
3.1 程序編譯與下載
再來復(fù)習(xí)一下基本步驟：
- ubuntu中通過gcc交叉編譯器編譯出led的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序搭建局域網(wǎng)環(huán)境（電腦和linux板子連接到同一個路由器下，Linux板子以及燒錄了鏡像文件，能夠正常運行）通過tftp服務(wù)將兩個文件發(fā)送到linux板子的對應(yīng)目錄中（/lib/modules/4.1.15目錄）進行字符設(shè)備的加載，以及文件讀寫測試（控制led亮滅）
程序的具體編譯過程與之前的類似，這里不再贅述，可參考之前的文章（如這篇：【i.MX6ULL】驅(qū)動開發(fā)2——新字符設(shè)備開發(fā)模板）
3.2 實驗現(xiàn)象
首先來看一下板子上LED的位置，如下圖的電路上的標(biāo)號D14處：
然后在串口中，按照之前介紹字符設(shè)備的加載流程，先加載led字符設(shè)備，然后就可以下向應(yīng)用程序?qū)?或0來控制led的亮滅了。
led點亮的效果如下：
4 總結(jié)
本篇主要介紹了如何通過操作寄存器來點亮i.MX6ULL開發(fā)板上的led，通過編寫LED對應(yīng)的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，實現(xiàn)程序設(shè)計的分層。
因為Linux使用了MMU進行虛擬地址管理，因此在操作寄存器時，要進行地址映射后再操作。最后通過程序的實際測試，驗證了led的亮滅功能。
