Linux 字符设备驱动基础开发详解（2）—— LED 驱动

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书接上回 Linux 字符设备驱动基础开发详解（1）。 在上一小节中我们掌握了字符设备驱动的开发框架。本节我们将编写一个真正的LED 字符设备驱动，并深入讲解 Linux 驱动是如何通过内存映射（MMU）来操作硬件寄存器的。

01 核心理论：MMU 与内存映射

在裸机开发中，我们可以直接操作物理地址。但在 Linux 系统中，开启了 MMU（Memory Management Unit，内存管理单元），CPU 读写的是虚拟地址。

为什么不能直接访问物理地址？

I.MX6ULL（32位处理器）的虚拟地址空间为 4GB ()。物理内存（如 512MB DDR）和外设寄存器都被 MMU 映射到了这 4GB 的虚拟空间中。 如果驱动程序直接访问物理地址（如 0x020C406C），操作系统会拦截并报错（段错误），因为该地址在虚拟空间中可能未被定义或受保护。

解决方案：ioremap

Linux 提供了 ioremap 函数，将物理地址映射为内核空间的虚拟地址。映射完成后，驱动程序通过访问这个虚拟地址即可操作硬件。

推荐的 I/O 读写函数

虽然可以直接用指针操作映射后的地址，但 Linux 推荐使用专用函数以保证可移植性和原子性：

// 读操作
u32 readl(constvolatilevoid __iomem *addr); // 读 32位
u16 readw(constvolatilevoid __iomem *addr); // 读 16位
u8  readb(constvolatilevoid __iomem *addr); // 读 8位

// 写操作
voidwritel(u32 value, volatilevoid __iomem *addr); // 写 32位
voidwritew(u16 value, volatilevoid __iomem *addr); // 写 16位
voidwriteb(u8 value, volatilevoid __iomem *addr);  // 写 8位

02 驱动程序实现 (led.c)

本实验基于 NXP I.MX6ULL 开发板，控制 GPIO1_IO03 上的 LED。

完整代码解析

#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>

/* ------------------------------------------------------
 * 1. 宏定义：设备号与硬件信息
 * ------------------------------------------------------ */
#define LED_MAJOR       200        /* 主设备号 (静态注册) */
#define LED_NAME        "led"/* 设备节点名 */

#define LEDOFF          0          /* 关灯指令 */
#define LEDON           1          /* 开灯指令 */

/* I.MX6ULL 寄存器物理地址定义 */
#define CCM_CCGR1_BASE          (0X020C406C)  /* 时钟控制寄存器 */
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE  (0X020E0068)  /* 复用功能选择 */
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE  (0X020E02F4)  /* 电气属性配置 */
#define GPIO1_DR_BASE           (0X0209C000)  /* GPIO 数据寄存器 */
#define GPIO1_GDIR_BASE         (0X0209C004)  /* GPIO 方向寄存器 */

/* 映射后的虚拟地址指针 */
staticvoid __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
staticvoid __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
staticvoid __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
staticvoid __iomem *GPIO1_DR;
staticvoid __iomem *GPIO1_GDIR;

/* ------------------------------------------------------
 * 2. 硬件控制逻辑
 * ------------------------------------------------------ */
/**
 * @brief 控制 LED 亮灭
 * @param sta: LEDON(1) 打开, LEDOFF(0) 关闭
 */
voidled_switch(u8 sta)
{
    u32 val = 0;
if(sta == LEDON) {
        val = readl(GPIO1_DR);
        val &= ~(1 << 3);      /* bit3 清零 (低电平点亮，视硬件原理图而定) */
        writel(val, GPIO1_DR);
    } elseif(sta == LEDOFF) {
        val = readl(GPIO1_DR);
        val |= (1 << 3);       /* bit3 置一 (高电平熄灭) */
        writel(val, GPIO1_DR);
    }
}

/* ------------------------------------------------------
 * 3. 文件操作函数 (File Operations)
 * ------------------------------------------------------ */
staticintled_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 一般在此处处理私有数据，如 filp->private_data = ... */
return0;
}

staticssize_tled_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
return0;
}

/**
 * @brief 向设备写数据 (核心逻辑)
 * 用户空间 write -> 内核空间 led_write -> 操作硬件
 */
staticssize_tled_write(struct file *filp, constchar __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsignedchar databuf[1];
unsignedchar ledstat;

/* 接收用户空间数据：copy_from_user */
    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 0 或 1 */

if(ledstat == LEDON) {
        led_switch(LEDON);
    } elseif(ledstat == LEDOFF) {
        led_switch(LEDOFF);
    }
return0;
}

staticintled_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return0;
}

/* 绑定 file_operations */
staticstructfile_operationsled_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = led_open,
    .read    = led_read,
    .write   = led_write,
    .release = led_release,
};

/* ------------------------------------------------------
 * 4. 驱动入口与出口 (Init & Exit)
 * ------------------------------------------------------ */
/**
 * @brief 驱动入口函数
 * 1. 内存映射 (ioremap)
 * 2. 硬件初始化 (时钟、复用、属性、方向)
 * 3. 注册字符设备 (register_chrdev)
 */
staticint __init led_init(void)
{
int retvalue = 0;
    u32 val = 0;

/* 1. 寄存器地址映射：将物理地址转为虚拟地址 */
    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 (CCGR1 寄存器) */
    val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
    val &= ~(3 << 26); /* 清除 bit26-27 */
    val |= (3 << 26);  /* 设置 bit26-27 为 11，开启时钟 */
    writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

/* 3. 设置 GPIO1_IO03 复用功能 */
    writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03); /* 5 = ALT5 (GPIO模式) */

/* 4. 设置 IO 电气属性 (速度、驱动能力、压摆率等) */
    writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);

/* 5. 设置 GPIO1_IO03 为输出模式 (GDIR 寄存器) */
    val = readl(GPIO1_GDIR);
    val &= ~(1 << 3);
    val |= (1 << 3);   /* bit3 置 1 = Output */
    writel(val, GPIO1_GDIR);

/* 6. 默认关闭 LED (输出高电平) */
    val = readl(GPIO1_DR);
    val |= (1 << 3);
    writel(val, GPIO1_DR);

/* 7. 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;
    }
    printk("led_init success!\r\n");
return0;
}

/**
 * @brief 驱动出口函数
 * 1. 取消内存映射 (iounmap)
 * 2. 注销字符设备 (unregister_chrdev)
 */
staticvoid __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);
    printk("led_exit success!\r\n");
}

/* 指定加载/卸载函数 */
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

/* 模块信息 */
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("xxxxx");

03 用户空间测试程序 (ledApp.c)

编写一个简单的 C 程序，接收命令行参数来控制 LED。

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

/**
 * Usage: ./ledApp <filename> <0/1>
 * Example: ./ledApp /dev/led 1  (Turn ON)
 */
intmain(int argc, char *argv[])
{
int fd, retvalue;
char *filename;
unsignedchar databuf[1];

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

    filename = argv[1];

/* 1. 打开 led 驱动文件 */
    fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
return-1;
    }

/* 2. 获取命令行参数 (0 或 1) */
    databuf[0] = atoi(argv[2]);

/* 3. 向驱动写入数据 */
    retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
if(retvalue < 0){
printf("LED Control Failed!\r\n");
        close(fd);
return-1;
    }

/* 4. 关闭文件 */
    retvalue = close(fd);
if(retvalue < 0){
printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
return-1;
    }
return0;
}

04 编译与测试

1. 编写 Makefile

将驱动编译为 .ko 模块。请确保 KERNELDIR 路径指向你编译过的 Linux 内核源码目录。

KERNELDIR := /home/xxx/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)

obj-m := led.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules

clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

2. 编译流程

在终端执行：

# 1. 编译驱动，生成 led.ko
make

# 2. 编译测试 APP
arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp

3. 上机实测

将 led.ko 和 ledApp 拷贝到开发板中（推荐使用 NFS 挂载）。

💡 重点解析：手动创建设备节点

我们使用了旧版的 register_chrdev 函数，它只负责在内核中“注册”驱动，不会自动生成 /dev/led 设备文件。因此需要使用 mknod 手动创建。

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形象比喻：

• **register_chrdev (内核注册)**：相当于去工商局办理营业执照，拿到了注册号（主设备号 200）。此时政府（内核）知道你的存在。
• **mknod (创建节点)**：相当于在路边挂个招牌（/dev/led），招牌后面写着注册号（200）。
• **open (应用程序)**：顾客（App）看到招牌（/dev/led），系统通过招牌后的号码（200）找到对应的店铺（驱动）为你服务。

测试步骤：

# 1. 加载驱动模块
insmod led.ko

# 2. 确认设备号是否被占用 (应能看到 led 和 200)
cat /proc/devices

# 3. 手动创建设备节点 (c 代表字符设备, 200 主设备号, 0 次设备号)
mknod /dev/led c 200 0

# 4. 运行测试
./ledApp /dev/led 1   # LED 应点亮
./ledApp /dev/led 0   # LED 应熄灭

# 5. 卸载驱动
rmmod led.ko

05 小结

本节通过一个 LED 驱动展示了字符设备开发的完整闭环：

1. 内核态：利用 ioremap 映射物理寄存器，通过 writel/readl 操作硬件，并实现 file_operations。
2. 用户态：使用标准的文件 I/O (open, write) 操作 /dev/xxx。
3. 连接点：设备号与设备节点（mknod）将两者关联起来。