I.MX6ULL ARM驱动开发---设备树下的LED驱动实验

一、什么是设备树?

  设备树(Device Tree),将这个词分开就是“设备”和“树”,描述设备树的文件叫做 DTS(Device Tree Source),这个 DTS 文件采用树形结构描述板级设备,也就是开发板上的设备信息,比如 CPU 数量、内存基地址、IIC 接口上接了哪些设备、SPI 接口上接了哪些设备等等,如下图所示:
I.MX6ULL ARM驱动开发---设备树下的LED驱动实验_第1张图片

  在上图中,树的主干就是系统总线,IIC 控制器、GPIO 控制器、SPI 控制器等都是接到系统主线上的分支。IIC 控制器有分为 IIC1 和 IIC2 两种,其中 IIC1 上接了 FT5206 和 AT24C02这两个 IIC 设备,IIC2 上只接了 MPU6050 这个设备。

二、DTS、DTB和DTC

  设备树源文件扩展名为.dts,然而在Linux内核移植过程中,我们发现设备树移植的是.dtb文件。那DTS和DTB有什么关系呢?DTS 是设备树源码文件,DTB 是将 DTS 编译以后得到的二进制文件。将.c 文件编译为.o 需要用到 gcc 编译器,那么将.dts 编译为.dtb需要什么工具呢?需要用到 DTC 工具!

  如何生成DTS?

  要编译 DTS 文件的话只需要进入到 Linux 源码根目录下,然后执行如下命令:

make dtbs

三、设备树LED驱动原理

  我们使用设备树来向 Linux 内核传递相关的寄存器物理地址,Linux 驱动文件使用 OF 函数从设备树中获取所需的属性值,然后使用获取到的属性值来初始化相关的 IO。实验重点内容如下:

  ① 在 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件中创建相应的设备节点。
  ② 编写驱动程序,获取设备树中的相关属性值。
  ③ 使用获取到的有关属性值来初始化 LED 所使用的 GPIO。

四、设备树常用OF操作函数

1、查找节点的OF函数

  设备都是以节点的形式“挂”到设备树上的,因此要想获取这个设备的其他属性信息,必须先获取到这个设备的节点。Linux 内核使用 device_node 结构体来描述一个节点,此结构体定义在文件 include/linux/of.h 中,定义如下:

struct device_node {
  const char name; / 节点名字 */
  const char type; / 设备类型 */
  phandle phandle;
  const char full_name; / 节点全名 */
  struct fwnode_handle fwnode;
  struct property properties; / 属性 */
  struct property deadprops; / removed 属性 */
  struct device_node parent; / 父节点 */
  struct device_node child; / 子节点 */
  struct device_node *sibling;
  struct kobject kobj;
  unsigned long _flags;
  void *data;
#if defined(CONFIG_SPARC)
  const char *path_component_name;
  unsigned int unique_id;
  struct of_irq_controller *irq_trans;
#endif
};

(1)of_find_node_by_name函数

  of_find_node_by_name 函数通过节点名字查找指定的节点,函数原型如下:

struct device_node *of_find_node_by_name(struct device_node *from,
                    const char *name);

  函数参数和返回值含义如下:
  from:开始查找的节点,如果为 NULL 表示从根节点开始查找整个设备树。
  name:要查找的节点名字。
  返回值:找到的节点,如果为 NULL 表示查找失败。

(2)of_find_node_by_path 函数

  of_find_node_by_path 函数通过路径来查找指定的节点,函数原型如下:

inline struct device_node *of_find_node_by_path(const char *path)

  函数参数和返回值含义如下:
  path:带有全路径的节点名,可以使用节点的别名,比如“/backlight”就是 backlight 这个节点的全路径。
  返回值:找到的节点,如果为 NULL 表示查找失败

2、提取属性值的OF函数

  节点的属性信息里面保存了驱动所需要的内容,因此对于属性值的提取非常重要,Linux 内核中使用结构体 property 表示属性,此结构体同样定义在文件 include/linux/of.h 中,内容如下:

struct property {
  char name; / 属性名字 /
  int length; /
属性长度 */
  void value; / 属性值 */
  struct property next; / 下一个属性 */
  unsigned long _flags;
  unsigned int unique_id;
  struct bin_attribute attr;
};

(1)of_find_property函数
  of_find_property 函数用于查找指定的属性,函数原型如下:

property *of_find_property(const struct device_node *np,
            const char *name,
            int *lenp)

  函数参数和返回值含义如下:
  np:设备节点。
  name:属性名字。
  lenp:属性值的字节数
  返回值:找到的属性

(2)of_property_read_u32_index函数

  of_property_read_u32_index 函数用于从属性中获取指定标号的 u32 类型数据值(无符号 32 位),比如某个属性有多个 u32 类型的值,那么就可以使用此函数来获取指定标号的数据值,此函数原型如下:

int of_property_read_u32_index(const struct device_node *np,
               const char *propname,
               u32 index, u32 *out_value)

  函数参数和返回值含义如下:
  np:设备节点。
  propname:要读取的属性名字。
  index:要读取的值标号。
  out_value:读取到的值
  返回值:0 读取成功,负值,读取失败,-EINVAL 表示属性不存在,-ENODATA 表示没有要读取的数据,-EOVERFLOW 表示属性值列表太小。

(3)of_property_read_string函数
of_property_read_string 函数用于读取属性中字符串值,函数原型如下:

int of_property_read_string(struct device_node *np, const char *propname, const char **out_string)

  函数参数和返回值含义如下:
  np:设备节点。
  propname:要读取的属性名字。
  out_string:读取到的字符串值。
  返回值:0,读取成功,负值,读取失败。

3、其他常用的OF函数

(1)of_iomap 函数

  of_iomap 函数用于直接内存映射,以前通过 ioremap 函数来完成物理地址到虚拟地址的映射,采用设备树以后就可以直接通过 of_iomap 函数来获取内存地址所对应的虚拟地址,不需要使用 ioremap 函数了。

void __iomem *of_iomap(struct device_node *np, int index)

  函数参数和返回值含义如下:
  np:设备节点。
  index: reg 属性中要完成内存映射的段,如果 reg 属性只有一段的话 index 就设置为0。
  返回值:经过内存映射后的虚拟内存首地址,如果为 NULL 的话表示内存映射失败。

五、实验程序编写

1、修改设备树文件

  在根节点“/”下创建一个名为“alphaled”的子节点,打开 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件,在根节点“/”最后面输入如下所示内容:

alphaled { 
		#address-cells = <1>;
		#size-cells = <1>;
		compatible = "atkalpha-led";
		status = "okay";
		reg = < 0X020C406C 0X04 /* CCM_CCGR1_BASE */
				0X020E0068 0X04 /* SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE */
				0X020E02F4 0X04 /* SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE */
				0X0209C000 0X04 /* GPIO1_DR_BASE */
				0X0209C004 0X04 >; /* GPIO1_GDIR_BASE */
};

  第 2、3 行,属性#address-cells 和#size-cells 都为 1,表示 reg 属性中起始地址占用一个字长 (cell),地址长度也占用一个字长(cell)。
  第 4 行,属性 compatbile 设置 alphaled 节点兼容性为“atkalpha-led”。
  第 5 行,属性 status 设置状态为“okay”。
  第 6~10 行,reg 属性,非常重要!reg 属性设置了驱动里面所要使用的寄存器物理地址,比如第 6 行的“0X020C406C 0X04”表示 I.MX6ULL 的 CCM_CCGR1 寄存器,其中寄存器首地址为 0X020C406C,长度为 4 个字节。

  设备树修改完成以后输入如下命令重新编译一下 imx6ull-alientek-emmc.dts:

make dtbs

  编译完成以后得到 imx6ull-alientek-emmc.dtb,使用新的 imx6ull-alientek-emmc.dtb 启动Linux 内核。Linux 启动成功以后进入到/proc/device-tree/目录中查看是否有“alphaled”这个节点,结果如下图所示:

I.MX6ULL ARM驱动开发---设备树下的LED驱动实验_第2张图片

  可以进入到图 44.3.1 中的 alphaled 目录中,查看一下都有哪些属性文件,结果如下图所示:

在这里插入图片描述
  可以查看一下 compatible、status 等属性值是否和我们设置的一致。

2、LED驱动程序编写

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define DTSLED_CNT			1		  	/* 设备号个数 */
#define DTSLED_NAME			"dtsled"	/* 名字 */
#define LEDOFF 					0			/* 关灯 */
#define LEDON 					1			/* 开灯 */

/* 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;

/* dtsled设备结构体 */
struct dtsled_dev{
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;		/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
	struct device_node	*nd; /* 设备节点 */
};

struct dtsled_dev dtsled;	/* led设备 */

/*
 * @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)
{
	filp->private_data = &dtsled; /* 设置私有数据 */
	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 dtsled_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	u32 val = 0;
	int ret;
	u32 regdata[14];
	const char *str;
	struct property *proper;

	/* 获取设备树中的属性数据 */
	/* 1、获取设备节点:alphaled */
	dtsled.nd = of_find_node_by_path("/alphaled");
	if(dtsled.nd == NULL) {
		printk("alphaled node nost find!\r\n");
		return -EINVAL;
	} else {
		printk("alphaled node find!\r\n");
	}

	/* 2、获取compatible属性内容 */
	proper = of_find_property(dtsled.nd, "compatible", NULL);
	if(proper == NULL) {
		printk("compatible property find failed\r\n");
	} else {
		printk("compatible = %s\r\n", (char*)proper->value);
	}

	/* 3、获取status属性内容 */
	ret = of_property_read_string(dtsled.nd, "status", &str);
	if(ret < 0){
		printk("status read failed!\r\n");
	} else {
		printk("status = %s\r\n",str);
	}

	/* 4、获取reg属性内容 */
	ret = of_property_read_u32_array(dtsled.nd, "reg", regdata, 10);
	if(ret < 0) {
		printk("reg property read failed!\r\n");
	} else {
		u8 i = 0;
		printk("reg data:\r\n");
		for(i = 0; i < 10; i++)
			printk("%#X ", regdata[i]);
		printk("\r\n");
	}

	/* 初始化LED */
#if 0
	/* 1、寄存器地址映射 */
	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(regdata[0], regdata[1]);
	SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(regdata[2], regdata[3]);
  	SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(regdata[4], regdata[5]);
	GPIO1_DR = ioremap(regdata[6], regdata[7]);
	GPIO1_GDIR = ioremap(regdata[8], regdata[9]);
#else
	IMX6U_CCM_CCGR1 = of_iomap(dtsled.nd, 0);
	SW_MUX_GPIO1_IO03 = of_iomap(dtsled.nd, 1);
  	SW_PAD_GPIO1_IO03 = of_iomap(dtsled.nd, 2);
	GPIO1_DR = of_iomap(dtsled.nd, 3);
	GPIO1_GDIR = of_iomap(dtsled.nd, 4);
#endif

	/* 2、使能GPIO1时钟 */
	val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
	val &= ~(3 << 26);	/* 清楚以前的设置 */
	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
	 *bit 16:0 HYS关闭
	 *bit [15:14]: 00 默认下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 关闭开路输出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
	 */
	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);

	/* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (dtsled.major) {		/*  定义了设备号 */
		dtsled.devid = MKDEV(dtsled.major, 0);
		register_chrdev_region(dtsled.devid, DTSLED_CNT, DTSLED_NAME);
	} else {						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&dtsled.devid, 0, DTSLED_CNT, DTSLED_NAME);	/* 申请设备号 */
		dtsled.major = MAJOR(dtsled.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		dtsled.minor = MINOR(dtsled.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	printk("dtsled major=%d,minor=%d\r\n",dtsled.major, dtsled.minor);	
	
	/* 2、初始化cdev */
	dtsled.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&dtsled.cdev, &dtsled_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&dtsled.cdev, dtsled.devid, DTSLED_CNT);

	/* 4、创建类 */
	dtsled.class = class_create(THIS_MODULE, DTSLED_NAME);
	if (IS_ERR(dtsled.class)) {
		return PTR_ERR(dtsled.class);
	}

	/* 5、创建设备 */
	dtsled.device = device_create(dtsled.class, NULL, dtsled.devid, NULL, DTSLED_NAME);
	if (IS_ERR(dtsled.device)) {
		return PTR_ERR(dtsled.device);
	}
	
	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 */
	cdev_del(&dtsled.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(dtsled.devid, DTSLED_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(dtsled.class, dtsled.devid);
	class_destroy(dtsled.class);
}

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

3、编写测试APP

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

#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;
}

六、编译驱动程序和测试APP

1、编译驱动程序

  编写 Makefile 文件,Makefile 内容如下所示:

KERNELDIR := /home/sh/Desktop/MUL/zimage
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := dtsled.o

ARCH=arm
CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -j32 -C $(KERNELDIR) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
	$(MAKE) -j32 -C $(KERNELDIR) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) M=$(CURRENT_PATH) clean

输入如下命令编译出驱动模块文件:

make

  编译成功以后就会生成一个名为“dtsled.ko”的驱动模块文件。
(2)编译测试APP

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

七、运行测试

  将 dtsled.ko 和 ledApp 这两个文件拷贝到开发板,输入如下命令加载 dtsled.ko 驱动模块:

insmod dtsled.ko //加载驱动

  驱动加载成功以后会在终端中输出一些信息,如下图所示:

I.MX6ULL ARM驱动开发---设备树下的LED驱动实验_第3张图片

  从上图可以看出,alpahled 这个节点找到了,并且 compatible 属性值为“atkalpha-led”,status 属性值为“okay”,reg 属性的值为“0X20C406C 0X4 0X20E0068 0X4 0X20E02F4 0X4 0X209C000 0X4 0X209C004 0X4”,这些都和我们设置的设备树一致。

  输入如下命令打开 LED 灯:

/ledApp /dev/dtsled 1   //打开 LED 灯

  关闭 LED 灯:

./ledApp /dev/dtsled 0   //关闭 LED 灯

  如果要卸载驱动的话输入如下命令即可:

rmmod dtsled.ko

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