嵌入式Linux--LinuxPWM驱动实验

在裸机开发阶段，我们已掌握借助I.MX6ULL的PWM外设实现LCD背光调节的方法，并且在Linux的LCD驱动实验中也提及过I.MX6ULL的PWM背光调节功能，但并未对PWM部分展开专项剖析。本章，我们将深入探究Linux环境下的PWM驱动开发。

1 PWM驱动基础

PWM原理及I.MX6ULL的PWM外设相关内容，在《原子嵌入式Linux驱动开发详解》的裸机部分已有详尽阐述，此处不再重复。下面我们聚焦于NXP原厂为Linux内核提供的PWM驱动。

1.1 设备树中的PWM控制器节点

I.MX6ULL配备8路PWM输出，对应8个PWM控制器，在设备树中便存在8个PWM控制器节点。这8路PWM均隶属于I.MX6ULL的AIPS-1域，但在设备树`imx6ull.dtsi`文件中，它们被划分为两部分：PWM1~PWM4归为一组，PWM5~PWM8归为另一组，这一点需特别留意。尽管这8路PWM的设备树节点内容大致相同，但因控制器地址范围各异，`reg`属性存在差异。

本章实验选用GPIO1_IO04引脚开展PWM实验，该引脚对应PWM3的输出，故以PWM3为例进行说明。在`imx6ull.dtsi`文件里，pwm3节点的关键信息如下：

```

pwm3: pwm@02088000 {

compatible = "fsl,imx6ul-pwm", "fsl,imx27-pwm";

reg = <0x02088000 0x4000>;

interrupts = <GIC_SPI 85 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;

clocks = <&clks IMX6UL_CLK_PWM3>, <&clks IMX6UL_CLK_PWM3>;

clock-names = "ipg", "per";

pwm-cells = <2>;

};

```

其中，`compatible`属性包含两个值："fsl,imx6ul-pwm"和"fsl,imx27-pwm"。在Linux内核中搜索这两个字符串，就能找到I.MX6ULL的PWM驱动文件，即`drivers/pwm/pwm-imx.c`。Linux内核构建了PWM子系统框架，编写PWM驱动时，必须严格遵循此框架。

PWM子系统的核心是`pwm_chip`结构体，定义于`include/linux/pwm.h`文件，其关键成员涵盖设备指针、操作函数集合、基地址、PWM通道数量等，为PWM驱动提供了统一的数据模型。

1.2 PWM子系统核心

`pwm_chip`结构体中，`pwm_ops`结构体是PWM外设各类操作函数的集合，开发者在编写PWM外设驱动时，必须实现该结构体中的函数。这些函数包含请求、释放、配置、设置极性、使能、禁用等操作。其中，配置、使能和禁用函数对PWM功能的实现至关重要，缺少这些函数，将无法完成PWM的开关、占空比设置等基础操作。

PWM子系统驱动的关键在于完成`pwm_chip`结构体各成员的初始化，随后向内核注册该结构体。注册操作依赖`pwmchip_add()`函数，该函数位于`drivers/pwm/core.c`，函数原型为`int pwmchip_add(structpwm_chip* chip)`，参数`chip`即待注册的`pwm_chip`，返回值若为0，表示注册成功；为负数，则代表注册失败。

当需要卸载PWM驱动时，需借助`pwmchip_remove()`函数，将先前注册的`pwm_chip`从内核移除，函数原型为`int pwmchip_remove(struct pwm_chip * chip)`，参数`chip`为待移除的`pwm_chip`，返回值规则与注册函数一致。

1.3 PWM驱动源码剖析

我们深入探究Linux内核自带的I.MX6ULL PWM驱动。如前文所述，驱动文件为`pwm-imx.c`，这是一个标准的平台设备驱动文件。文件中定义了设备树匹配表，当设备树PWM节点的`compatible`属性与表内条目匹配时，驱动与设备便成功匹配。

以`compatible = "fsl,imx27-pwm"`为例，匹配成功后，数据指向`imx_pwm_data_v2`结构体变量，该变量包含配置函数`imx_pwm_config_v2`和使能函数`imx_pwm_set_enable_v2`，这两个函数直接操控I.MX6ULL的PWM外设寄存器，实现PWM的底层配置。

设备树节点与驱动匹配后，`imx_pwm_probe()`函数随即执行。在该函数中，首先为`imx_chip`结构体分配内存，该结构体包含`pwm_chip`成员，随后对`pwm_chip`的成员进行初始化，设置操作集为`imx_pwm_ops`，明确PWM通道数量、基地址等关键信息。

`imx_pwm_ops`定义了使能、禁用和配置PWM的具体操作函数，如`imx_pwm_enable`、`imx_pwm_disable`和`imx_pwm_config`，这些函数最终调用底层的寄存器操作函数，完成对硬件的控制。

进一步分析`imx_pwm_set_enable_v2()`函数，它通过读取和写入PWM控制寄存器（PWMCR），依据传入的使能标志，设置或清除寄存器的使能位，实现PWM的开启和关闭。

而`imx_pwm_config_v2()`函数负责设定PWM的频率和占空比。它依据传入的周期和占空比参数，结合时钟频率，精准计算出预分频值、周期值和占空比值，并分别写入PWM的占空比寄存器（PWMSAR）和周期寄存器（PWMPR），同时配置控制寄存器，确保PWM按预期频率和占空比稳定输出。

2 PWM驱动编写实战

2.1 设备树定制

PWM驱动无需重新编写，NXP已提供完善方案，实际使用中仅需修改设备树。ALPHA开发板的JP2排针引出了GPIO1_IO04引脚，该引脚可作为PWM3的输出，因此在设备树中需添加该引脚信息，并对PWM3节点进行补充完善。

1. 添加GPIO引脚配置：在`imx6ull-alientek-emmc.dts`文件的`iomuxc`节点下，添加GPIO1_IO04作为PWM3输出的引脚配置，明确其复用功能和电气特性。

2. 完善PWM3节点：在`imx6ull-alientek-emmc.dts`文件中，对`imx6ull.dtsi`中的pwm3节点进行扩展。指定引脚控制节点，设置正确的时钟源，确保PWM3的时钟信号精准供给，并将节点状态设为“okay”，使其处于可工作状态。

3. 排查引脚复用冲突：全面检查设备树，若其他外设占用了GPIO1_IO04引脚，必须予以屏蔽，不仅包括引脚控制配置，还需搜索“gpio14”，确保所有潜在冲突均被妥善解决。完成设备树修改后，重新编译并使用新设备树启动系统。

2.2 PWM驱动激活

NXP官方的Linux内核默认启用了PWM驱动，不过为深入学习，仍需掌握使能方法。进入Linux内核配置界面，依次选择：

```

->DeviceDrivers

-> Pulse-Width Modulation (PWM) Support

-> <*> i.MX PWM support

```

确保该配置项被选中，完成内核配置后，内核将集成I.MX6ULL的PWM驱动。

3 PWM驱动测试验证

完成设备树修改和驱动使能后，重启系统，将开发板JP2排针上的GPIO1_IO04引脚连接至示波器，借助用户空间接口配置PWM，直观观测PWM波形。

在用户空间，进入`/sys/class/pwm`目录，会看到pwmchip0~pwmchip7，分别对应I.MX6ULL的PWM1~PWM8，本实验选用pwmchip2（对应PWM3）。

1. 导出PWM通道：执行`echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip2/export`，在pwmchip2目录下生成pwm0子目录，为后续操作奠定基础。

2. 激活PWM3：通过`echo 1 > /sys/class/pwm/pwmchip2/pwm0/enable`命令，激活PWM3输出。

3. 设定PWM3频率：以设定20kHz频率为例，其周期为50000ns，执行`echo 50000 > /sys/class/pwm/pwmchip2/pwm0/period`，精准设定PWM周期。

4. 配置PWM3占空比：在20kHz频率下，若占空比为20%，高电平时间为10000ns，执行`echo 10000 > /sys/class/pwm/pwmchip2/pwm0/duty_cycle`，明确高电平持续时间。

完成上述配置后，使用示波器观测波形，正常情况下，波形频率应为20kHz，占空比20%，与设定参数完全相符。若调整频率或占空比，需严格遵循周期与高电平时间的对应关系，防止因参数越界导致设置失败。

通过这一系列操作，我们完成了I.MX6ULL在Linux下的PWM驱动配置与测试，为PWM在LCD背光调节、电机控制等实际场景中的应用筑牢根基。