嵌入式 Linux LED 驱动开发实验

正在努力的小河

1057人浏览 · 2025-08-16 20:17:27

正在努力的小河 · 2025-08-16 20:17:27 发布

1.Linux 下 LED 灯驱动原理

Linux 下的任何外设驱动，最终都是要配置相应的硬件寄存器。所以本章的 LED 灯驱动最

终也是对 I.MX6ULL 的 IO 口进行配置，与裸机实验不同的是，在 Linux 下编写驱动要符合 Linux

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

因此本章实验的重点就是编写 Linux 下 I.MX6UL 引脚控制驱动。

1.1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。

首先了解两个地址概念：虚拟地址(VA,Virtual Address)、物理地址(PA，PhyscicalAddress)。对于 32 位的处理器来说，虚拟地址范围是 2^32=4GB，我们的开发板上有 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：

物理内存只有 512MB，虚拟内存有 4GB，那么肯定存在多个虚拟地址映射到同一个物理地

址上去，虚拟地址范围比物理地址范围大的问题处理器自会处理，这里我们不要去深究，因为

MMU 是很复杂的一个东西，暂时不做过多讲解。

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。（映射物理起始地址、大小、类型，设置成功返回虚拟地址；解除时需出入映射的虚拟地址）

1.2 I/O 内存访问函数

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。

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。

2.硬件原理图

3.1LED 灯驱动程序编写

#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>
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名 : led.c
作者 : 左忠凯
版本 : V1.0
描述 : LED 驱动文件。
其他 : 无
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版 V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************/
#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 : 驱动入口函数
 * @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); /* 清除以前的设置 */
    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 */
    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("zuozhongkai");

3.2测试APP编写

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。

新建 ledApp.c 文件，在里面输入如下内容：

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

/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名 : ledApp.c
作者 : 左忠凯
版本 : V1.0
描述 : LED 驱测试 APP。
其他 : 无
使用方法 ：./ledtest /dev/led 0 关闭 LED
          ./ledtest /dev/led 1 打开 LED 
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版 V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************/

#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;
}

4.运行测试

4.1程序编译

驱动程序编译新建Makefile,与上一小节基本一样，改个名字即可，如下:

测试程序编译：

arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp

4.2运行测试

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
输入上述命令以后观察 I.MX6U-ALPHA 开发板上的红色 LED 灯是否点亮，如果点亮的话说明驱动工作正常。在输入如下命令关闭 LED 灯：
./ledApp /dev/led 0 //关闭 LED 灯
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod led.ko