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【正点原子FPGA连载】第二十七章gpio子系统下的LED驱动实验-领航者ZYNQ之linux开发指南

2020-9-16 17:40:59  106 正点原子FPGA
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第二十七章gpio子系统下的LED驱动实验

在上一章当中已经给大家介绍了linux的gpio子系统,那本章我们就来编写一个基于gpio子系统API的LED驱动程序,本章将在第二十五章实验的基础上进行修改完成。
27.1实验简介
在《第二十五章 设备树下的LED驱动实验》中,虽然我们在dtsled.c驱动代码中获取到了GPIO有关寄存器物理地址,然后使用of_iomap函数进行内存映射,得到对应的虚拟地址,最后操作寄存器对应的虚拟地址完成对GPIO的初始化,但本质上还是跟裸机没啥区别,还非常的麻烦。所以本章就带大家完成一个gpio子系统下的led驱动程序,本章我们在第二十五章实验基础上完成,本章实验重点内容如下:
①修改第二十五章创建的led节点,在节点中指定led使用的GPIO。
②去掉led节点中的reg属性,因为不需要用到了。
③在第二十三章驱动实验的基础上修改驱动代码,获取设备树中传入的gpio,调用gpio子系统提供的接口函数对gpio进行操控。
27.2硬件原理图分析
本章实验硬件原理图参考33.3小节即可。
27.3实验程序编写
本实验对应的例程路径为:ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7010\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\5_gpioled。
本章实验在第二十三章实验的基础上完成,重点是将驱动改为基于gpio子系统的框架下的led驱动代码。
27.3.1修改设备树文件
1、添加led-gpio节点指定led使用的GPIO
打开linux内核源码目录下的arch/arm/boot/dts/system-top.dts文件,找到第二十五章创建在根节点“/”下的led节点,我们需要对led节点内容进行修改,去掉之前reg属性,添加led-gpio节点指定LED所使用的GPIO管脚,修改完成之后如下所示:
示例代码27.3.1.1 system-top.dts文件led节点
  • 7 #define GPIO_ACtiVE_HIGH 0
  • 8 #define GPIO_ACTIVE_LOW 1
  • 9
  • 10 /dts-v1/;
  • 11 #include "zynq-7000.dtsi"
  • 12 #include "pl.dtsi"
  • 13 #include "pcw.dtsi"
  • 14 / {
  • 15 model = "alientek ZYNQ Development Board";
  • 16
  • 17 chosen {
  • 18 bootargs = "console=ttyPS0,115200 earlyprintk root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait";
  • 19 stdout-path = "serial0:115200n8";
  • 20 };
  • 21 aliases {
  • 22 ethernet0 = &gem0;
  • 23 i2c0 = &i2c_2;
  • 24 i2c1 = &i2c0;
  • 25 i2c2 = &i2c1;
  • 26 serial0 = &uart0;
  • 27 serial1 = &uart1;
  • 28 spi0 = &qspi;
  • 29 };
  • 30 memory {
  • 31 device_type = "memory";
  • 32 reg = <0x0 0x20000000>;
  • 33 };
  • 34
  • 35 led {
  • 36 compatible = "alientek,led";
  • 37 status = "okay";
  • 38 default-state = "on";
  • 39 led-gpio = <&gpio0 7 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
  • 40 };
  • 41 };


第7和第8行,在设备树文件中定义了两个宏,这两个宏用来表示GPIO是高电平有效还是低电平有效,GPIO_ACTIVE_HIGH表示高电平有效。
第35~40行,将之前定义的reg属性给去掉了,加上了一个“led-gpio”属性,它的值等于“<&gpio0 7 GPIO_ACTIVE_HIGH>”,led-gpio属性指定了LED灯所使用的GPIO,在这里就是GPIO0的IO07,低电平有效,这些东西在第二十七章给大家讲过了,这里不再重复啰嗦!稍后编写驱动程序的时候会获取led-gpio属性的内容来得到GPIO编号,因为gpio子系统的API操作函数需要GPIO编号。
2、添加pinctrl节点
对于ZYNQ来说,我们不需要pinctrl,原因前面已经给大家讲过了!
3、重新编译system-top.dts
上面修改完成之后,执行下面的命令重新编译system-top.dts,如下所示:
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- system-top.dtb

图 38.3.1 重新编译设备树

编译完成之后将system-top.dtb文件重命名为system.dtb,然后将其拷贝到开发板的SD启动卡Fat分区,替换掉之前的system.dtb文件,然后重启开发板,进入到/proc/device-tree目录下,可以看到我们的led节点,进入到led节点目录下,如下所示:

图 38.3.2 led节点下的属性

可以看到有一个“led-gpio”文件,这就是我们前面新添加的属性。因为led-gpio属性的值是引用别的节点,所以直接用cat命令看不到这个文件的东西,我们可以使用od命令查看,如下所示:

图 38.3.3 od命令查看属性

所以可以知道它里面是有东西的。
27.3.2LED灯驱动程序编写
设备树准备好以后就可以编写驱动程序了,本章实验在第二十五章实验驱动文件dtsled.c的基础上修改而来。首先在drivers目录下新建名为“5_gpioled”文件夹,然后在5_gpioled文件夹里面新建gpioled.c文件,在gpioled.c里面输入如下内容:
示例代码27.3.2.1 gpioled.c文件内容
  • 1 /***************************************************************
  • 2 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
  • 3 文件名 : gpioled.c
  • 4 作者 : 邓涛
  • 5 版本 : V1.0
  • 6 描述 : ZYNQ LED驱动文件。
  • 7 其他 : 无
  • 8 论坛 : <a  target="_blank">www.openedv.com</a>
  • 9 日志 : 初版V1.0 2019/1/30 邓涛创建
  • 10 ***************************************************************/
  • 11
  • 12 #include <linux/types.h>
  • 13 #include <linux/kernel.h>
  • 14 #include <linux/delay.h>
  • 15 #include <linux/ide.h>
  • 16 #include <linux/init.h>
  • 17 #include <linux/module.h>
  • 18 #include <linux/errno.h>
  • 19 #include <linux/gpio.h>
  • 20 #include <asm/mach/map.h>
  • 21 #include <asm/uaccess.h>
  • 22 #include <asm/io.h>
  • 23 #include <linux/cdev.h>
  • 24 #include <linux/of.h>
  • 25 #include <linux/of_address.h>
  • 26 #include <linux/of_gpio.h>
  • 27
  • 28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
  • 29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
  • 30
  • 31 /* dtsled设备结构体 */
  • 32 struct gpioled_dev {
  • 33 dev_t devid; /* 设备号 */
  • 34 struct cdev cdev; /* cdev */
  • 35 struct class *class; /* 类 */
  • 36 struct device *device; /* 设备 */
  • 37 int major; /* 主设备号 */
  • 38 int minor; /* 次设备号 */
  • 39 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
  • 40 int led_gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
  • 41 };
  • 42
  • 43 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
  • 44
  • 45 /*
  • 46 * @description : 打开设备
  • 47 * @param – inode : 传递给驱动的inode
  • 48 * @param - filp : 设备文件,file结构体有个叫做private_data的成员变量
  • 49 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
  • 50 * @Return : 0 成功;其他 失败
  • 51 */
  • 52 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
  • 53 {
  • 54 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
  • 55 return 0;
  • 56 }
  • 57
  • 58 /*
  • 59 * @description : 从设备读取数据
  • 60 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
  • 61 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
  • 62 * @param - cnt : 要读取的数据长度
  • 63 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
  • 64 * @return : 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败
  • 65 */
  • 66 static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf,
  • 67 size_t cnt, loff_t *offt)
  • 68 {
  • 69 return 0;
  • 70 }
  • 71
  • 72 /*
  • 73 * @description : 向设备写数据
  • 74 * @param - filp : 设备文件,表示打开的文件描述符
  • 75 * @param - buf : 要写给设备写入的数据
  • 76 * @param - cnt : 要写入的数据长度
  • 77 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
  • 78 * @return : 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
  • 79 */
  • 80 static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
  • 81 size_t cnt, loff_t *offt)
  • 82 {
  • 83 int ret;
  • 84 char kern_buf[1];
  • 85
  • 86 ret = copy_from_user(kern_buf, buf, cnt); // 得到应用层传递过来的数据
  • 87 if(0 > ret) {
  • 88 printk(KERN_ERR "kernel write failed!\r\n");
  • 89 return -EFAULT;
  • 90 }
  • 91
  • 92 if (0 == kern_buf[0])
  • 93 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0); // 如果传递过来的数据是0则关闭led
  • 94 else if (1 == kern_buf[0])
  • 95 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 1); // 如果传递过来的数据是1则点亮led
  • 96
  • 97 return 0;
  • 98 }
  • 99
  • 100 /*
  • 101 * @description : 关闭/释放设备
  • 102 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
  • 103 * @return : 0 成功;其他 失败
  • 104 */
  • 105 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
  • 106 {
  • 107 return 0;
  • 108 }
  • 109
  • 110 /* 设备操作函数 */
  • 111 static struct file_operations gpioled_fops = {
  • 112 .owner = THIS_MODULE,
  • 113 .open = led_open,
  • 114 .read = led_read,
  • 115 .write = led_write,
  • 116 .release = led_release,
  • 117 };
  • 118
  • 119 static int __init led_init(void)
  • 120 {
  • 121 const char *str;
  • 122 int ret;
  • 123
  • 124 /* 1.获取led设备节点 */
  • 125 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/led");
  • 126 if(NULL == gpioled.nd) {
  • 127 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to get /led node\n");
  • 128 return -EINVAL;
  • 129 }
  • 130
  • 131 /* 2.读取status属性 */
  • 132 ret = of_property_read_string(gpioled.nd, "status", &str);
  • 133 if(!ret) {
  • 134 if (strcmp(str, "okay"))
  • 135 return -EINVAL;
  • 136 }
  • 137
  • 138 /* 2、获取compatible属性值并进行匹配 */
  • 139 ret = of_property_read_string(gpioled.nd, "compatible", &str);
  • 140 if(0 > ret) {
  • 141 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to get compatible property\n");
  • 142 return ret;
  • 143 }
  • 144
  • 145 if (strcmp(str, "alientek,led")) {
  • 146 printk(KERN_ERR "gpioled: Compatible match failed\n");
  • 147 return -EINVAL;
  • 148 }
  • 149
  • 150 printk(KERN_INFO "gpioled: device matching successful!\r\n");
  • 151
  • 152 /* 4.获取设备树中的led-gpio属性,得到LED所使用的GPIO编号 */
  • 153 gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);
  • 154 if(!gpio_is_valid(gpioled.led_gpio)) {
  • 155 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to get led-gpio\n");
  • 156 return -EINVAL;
  • 157 }
  • 158
  • 159 printk(KERN_INFO "gpioled: led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);
  • 160
  • 161 /* 5.向gpio子系统申请使用GPIO */
  • 162 ret = gpio_request(gpioled.led_gpio, "LED-GPIO");
  • 163 if (ret) {
  • 164 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to request led-gpio\n");
  • 165 return ret;
  • 166 }
  • 167
  • 168 /* 6.将led gpio管脚设置为输出模式 */
  • 169 gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 0);
  • 170
  • 171 /* 7.初始化LED的默认状态 */
  • 172 ret = of_property_read_string(gpioled.nd, "default-state", &str);
  • 173 if(!ret) {
  • 174 if (!strcmp(str, "on"))
  • 175 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 1);
  • 176 else
  • 177 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0);
  • 178 } else
  • 179 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0);
  • 180
  • 181 /* 8.注册字符设备驱动 */
  • 182 /* 创建设备号 */
  • 183 if (gpioled.major) {
  • 184 gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);
  • 185 ret = register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);
  • 186 if (ret)
  • 187 goto out1;
  • 188 } else {
  • 189 ret = alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);
  • 190 if (ret)
  • 191 goto out1;
  • 192
  • 193 gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);
  • 194 gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);
  • 195 }
  • 196
  • 197 printk("gpioled: major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor);
  • 198
  • 199 /* 初始化cdev */
  • 200 gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
  • 201 cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);
  • 202
  • 203 /* 添加一个cdev */
  • 204 ret = cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
  • 205 if (ret)
  • 206 goto out2;
  • 207
  • 208 /* 创建类 */
  • 209 gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
  • 210 if (IS_ERR(gpioled.class)) {
  • 211 ret = PTR_ERR(gpioled.class);
  • 212 goto out3;
  • 213 }
  • 214
  • 215 /* 创建设备 */
  • 216 gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL,
  • 217 gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);
  • 218 if (IS_ERR(gpioled.device)) {
  • 219 ret = PTR_ERR(gpioled.device);
  • 220 goto out4;
  • 221 }
  • 222
  • 223 return 0;
  • 224
  • 225 out4:
  • 226 class_destroy(gpioled.class);
  • 227
  • 228 out3:
  • 229 cdev_del(&gpioled.cdev);
  • 230
  • 231 out2:
  • 232 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
  • 233
  • 234 out1:
  • 235 gpio_free(gpioled.led_gpio);
  • 236
  • 237 return ret;
  • 238 }
  • 239
  • 240 static void __exit led_exit(void)
  • 241 {
  • 242 /* 注销设备 */
  • 243 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
  • 244
  • 245 /* 注销类 */
  • 246 class_destroy(gpioled.class);
  • 247
  • 248 /* 删除cdev */
  • 249 cdev_del(&gpioled.cdev);
  • 250
  • 251 /* 注销设备号 */
  • 252 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
  • 253
  • 254 /* 释放GPIO */
  • 255 gpio_free(gpioled.led_gpio);
  • 256 }
  • 257
  • 258 /* 驱动模块入口和出口函数注册 */
  • 259 module_init(led_init);
  • 260 module_exit(led_exit);
  • 261
  • 262 MODULE_AUTHOR("DengTao <<a href="mailto:773904075@qq.com">773904075@qq.com</a>>");
  • 263 MODULE_DESCRIPTION("Alientek ZYNQ GPIO LED Driver");
  • 264 MODULE_LICENSE("GPL");


第26行,使用include包含of_gpio.h头文件,因为我们的代码中使用到了与gpio相关的OF函数。
第28~29行,定义led设备的设备号数量以及led设备的名字。
第32~41行,定义了struct gpioled_dev结构体,在第二十五章的基础上加入led_gpio用来表示GPIO的编号。
第80~98行,使用gpio_set_value函数替代第二十五章直接操作GPIO寄存器的做法,那么这个函数我们在前面一张给大家介绍过了。
第125~129行,跟之前是一样的,从设备树中获取led节点,包括后面读取“status”属性以及“compatible”属性。
第153~157行,重点在这里,使用of_get_named_gpio函数获取设备树中led节点指定的gpio管脚,得到一个GPIO编号,那么这个编号是linux内核GPIO子系统对gpio的编号,一个编号就对应一个gpio,那么我们这里得到的这个编号就对应设备树中led-gpio指定的那个管脚(gpio0_7---MIO7)。得到GPIO编号之后使用gpio_is_valid函数判断编号是否是有效编号。
第162~166行,通过gpio_request函数去申请对该gpio管脚的使用权。
第169行,通过gpio_direction_output函数将gpio设置为输出模式。
第172~179行,根据led节点的“default-state”属性初始化LED的状态,使用gpio_set_value函数设置gpio输出高或低电平。
后面跟第二十五章就是一样的,需要注意的是,第240~256行,驱动模块的出口函数中一定要把申请的gpio管脚给释放,通过gpio_free函数释放gpio。
27.3.3编写测试APP
本章直接使用第二十五章的测试APP,将第二十五章实验目录下的测试APP源程序ledApp.c以及编译好的可执行文件ledApp全部拷贝到本章实验目录下,这样就不用再次编译ledApp.c文件了。
27.4运行测试
27.4.1编译驱动程序和测试APP
1、编译驱动程序
编写Makefile文件,同样也是将第二十五章实验目录下的Makefile文件直接拷贝到本章实验目录下,只是将obj-m变量的值改为gpioled.o,Makefile内容如下所示:
示例代码27.4.1.1 Makefile文件
  • 1 KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
  • 2
  • 3 obj-m := gpioled.o
  • 4
  • 5 all:
  • 6 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
  • 7
  • 8 clean:
  • 9 make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean


第3行,设置obj-m变量的值为gpioled.o。
修改完成之后保存退出,此时在我们的工程目录(5_gpioled)下有如下文件:


图 38.4.1 5_gpioled目录下的文件

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“gpioled.ko”的驱动模块文件,如下所示:

图 38.4.2 编译驱动模块

2、编译测试APP
不用编译直接上一章的ledApp可执行文件即可!
27.4.2运行测试
将前面编译出来的gpioled.ko和ledApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中,重启开发板,进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx中,输入如下命令加载gpioled.ko驱动模块:
  • depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
  • modprobe gpioled.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:


图 38.4.3 加载gpioled驱动模块

从图 38.4.3中可以看出,通过of_get_named_gpio函数得到gpio0_7(MIO7)这个GPIO的编号为910。看起来这个数字有点大哈,不过没关系,能用就行!驱动加载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/gpioled 0 //关闭LED灯

输入上述命令以后查看开发板上的PS_LED0灯是否熄灭,如果熄灭的话说明驱动工作正常。在输入如下命令打开LED灯:
  • ./ledApp /dev/gpioled 0 //打开LED灯

输入上述命令以后查看开发板上的PS_LED0灯是否点亮。如果要卸载驱动的话输入如下命令即可:
  • rmmod gpioled.ko



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