Linux驱动开发实战（四）：设备树点RGB灯

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前言

在嵌入式Linux开发中，如何将硬件与软件紧密结合是一项基础却重要的技能。本文将详细讲解如何通过驱动程序控制i.MX6平台上的RGB LED，并深入分析从驱动代码、设备树配置到硬件原理图之间的关系

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、驱动实现

1.1 驱动设计思路

我们使用平台驱动模型结合设备树进行开发，通过配置引脚复用和GPIO控制来实现RGB LED的控制。整体思路是：

1. 定义数据结构保存LED控制需要的寄存器地址
2. 从设备树获取资源并初始化GPIO
3. 实现用户空间接口用于控制LED

1.2 关键数据结构

#define DEV_NAME "rgb_led"
#define DEV_CNT (1)

• DEV_NAME： 定义字符设备的名称为"rgb_led"
• DEV_CNT： 定义要创建的设备数量为1

struct rgb_led_dev {struct device_node *device_node;  // 设备节点void __iomem *virtual_CCM_CCGR;   // 时钟控制寄存器void __iomem *virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD;  // 引脚复用寄存器void __iomem *virtual_IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD;  // 引脚电气特性寄存器void __iomem *virtual_DR;         // GPIO数据寄存器void __iomem *virtual_GDIR;       // GPIO方向寄存器unsigned int pin_num;             // GPIO引脚号
};

1.3 字符设备操作函数

static int led_chr_dev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{printk("\n open form driver \n");return 0;
}

这是字符设备的打开函数，仅打印一条日志信息并返回成功（0）。

static ssize_t led_chr_dev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int ret,error;unsigned int register_data = 0;unsigned char receive_data[10];unsigned int write_data;if(cnt>10)cnt =10;error = copy_from_user(receive_data, buf, cnt);if (error < 0){return -1;}ret = kstrtoint(receive_data, 16, &write_data);if (ret) {return -1;}/*设置 GPIO1_04 输出电平*/if (write_data & 0x04){register_data = ioread32(led_red.virtual_DR);register_data &= ~(0x01 << 4);iowrite32(register_data, led_red.virtual_DR); // GPIO1_04引脚输出低电平，红灯亮}else{register_data = ioread32(led_red.virtual_DR);register_data |= (0x01 << 4);iowrite32(register_data, led_red.virtual_DR); // GPIO1_04引脚输出高电平，红灯灭}/*设置 GPIO4_20 输出电平*/if (write_data & 0x02){register_data = ioread32(led_green.virtual_DR);register_data &= ~(0x01 << 20);iowrite32(register_data, led_green.virtual_DR); // GPIO4_20引脚输出低电平，绿灯亮}else{register_data = ioread32(led_green.virtual_DR);register_data |= (0x01 << 20);iowrite32(register_data, led_green.virtual_DR); // GPIO4_20引脚输出高电平，绿灯灭}/*设置 GPIO4_19 输出电平*/if (write_data & 0x01){register_data = ioread32(led_blue.virtual_DR);register_data &= ~(0x01 << 19);iowrite32(register_data, led_blue.virtual_DR); //GPIO4_19引脚输出低电平，蓝灯亮}else{register_data = ioread32(led_blue.virtual_DR);register_data |= (0x01 << 19);iowrite32(register_data, led_blue.virtual_DR); //GPIO4_19引脚输出高电平，蓝灯灭}return cnt;
}

这是字符设备的写函数，主要完成：

1. 限制接收数据量最大为10字节
2. 使用copy_from_user将用户空间数据复制到内核空间
3. 使用kstrtoint将接收到的字符串转换为整数（16进制）
4. 根据接收到的值控制三个LED的状态：

• 位0控制蓝灯（值为1时点亮）
• 位1控制绿灯（值为2时点亮）
• 位2控制红灯（值为4时点亮）

5. 通过读取当前寄存器值，修改相应位，然后写回寄存器的方式控制GPIO输出
6. 注意这些LED是低电平点亮的

开发板终端输出：

static struct file_operations led_chr_dev_fops =
{.owner = THIS_MODULE,.open = led_chr_dev_open,.write = led_chr_dev_write,
};

定义了字符设备的操作函数集，包含了所有者、打开函数和写函数。

1.4 平台驱动探测函数

static int led_probe(struct platform_device *pdv)
{int ret = -1;unsigned int register_data = 0;printk(KERN_ALERT "\t  match successed  \n");/*获取rgb_led的设备树节点*/rgb_led_device_node = of_find_node_by_path("/rgb_led");if (rgb_led_device_node == NULL){printk(KERN_ERR "\t  get rgb_led failed!  \n");return -1;}

平台驱动的探测函数开始部分：

1. 声明变量用于保存返回值和寄存器数据
2. 打印匹配成功信息
3. 通过路径"/rgb_led"获取设备树节点，失败则返回错误

接下来分别初始化红、绿、蓝三个LED，以红色LED为例：

    /*获取rgb_led节点的红灯子节点*/led_red.device_node = of_find_node_by_name(rgb_led_device_node,"rgb_led_red");if (led_red.device_node == NULL){printk(KERN_ERR "\n get rgb_led_red_device_node failed ! \n");return -1;}/*获取 reg 属性并转化为虚拟地址*/led_red.virtual_CCM_CCGR = of_iomap(led_red.device_node, 0);led_red.virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD = of_iomap(led_red.device_node, 1);led_red.virtual_IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD = of_iomap(led_red.device_node, 2);led_red.virtual_DR = of_iomap(led_red.device_node, 3);led_red.virtual_GDIR = of_iomap(led_red.device_node, 4);/*初始化红灯*/register_data = ioread32(led_red.virtual_CCM_CCGR);register_data |= (0x03 << 26);iowrite32(register_data, led_red.virtual_CCM_CCGR); //开启时钟register_data = ioread32(led_red.virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD);register_data &= ~(0xf << 0);register_data |= (0x05 << 0);iowrite32(register_data, led_red.virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD); //设置复用功能register_data = ioread32(led_red.virtual_IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD);register_data = (0x10B0);iowrite32(register_data, led_red.virtual_IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD); //设置PAD 属性register_data = ioread32(led_red.virtual_GDIR);register_data |= (0x01 << 4);iowrite32(register_data, led_red.virtual_GDIR); //设置GPIO1_04 为输出模式register_data = ioread32(led_red.virtual_DR);register_data |= (0x01 << 4);iowrite32(register_data, led_red.virtual_DR); //设置 GPIO1_04 默认输出高电平

红色LED初始化过程：

1.获取红色LED的设备树节点
2.将设备树中的reg属性映射为虚拟地址（共5个寄存器）
3.初始化GPIO：

• 使能相关时钟
• 设置管脚复用功能（设为GPIO模式）
• 设置管脚物理属性
• 设置GPIO为输出模式
• 设置默认输出高电平（LED熄灭）
  绿色和蓝色LED的初始化过程类似，但操作的是不同的GPIO引脚。

最后是注册字符设备的部分：

    /*---------------------注册 字符设备部分-----------------*///第一步//采用动态分配的方式，获取设备编号，次设备号为0，//设备名称为rgb-leds，可通过命令cat  /proc/devices查看//DEV_CNT为1，当前只申请一个设备编号ret = alloc_chrdev_region(&led_devno, 0, DEV_CNT, DEV_NAME);if (ret < 0){printk("fail to alloc led_devno\n");goto alloc_err;}//第二步//关联字符设备结构体cdev与文件操作结构体file_operationsled_chr_dev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&led_chr_dev, &led_chr_dev_fops);//第三步//添加设备至cdev_map散列表中ret = cdev_add(&led_chr_dev, led_devno, DEV_CNT);if (ret < 0){printk("fail to add cdev\n");goto add_err;}//第四步/*创建类 */class_led = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);/*创建设备*/device = device_create(class_led, NULL, led_devno, NULL, DEV_NAME);return 0;add_err://添加设备失败时，需要注销设备号unregister_chrdev_region(led_devno, DEV_CNT);printk("\n error! \n");
alloc_err:return -1;
}

字符设备注册过程：

1. 使用alloc_chrdev_region动态分配设备号
2. 初始化字符设备结构体并关联操作函数
3. 添加字符设备到系统中
4. 创建设备类和设备节点
5. 设置错误处理，如果添加失败则释放设备号.

1.5 匹配表和平台驱动结构体

static const struct of_device_id rgb_led[] = {{.compatible = "fire,rgb_led"},{/* sentinel */}};/*定义平台设备结构体*/
struct platform_driver led_platform_driver = {.probe = led_probe,.driver = {.name = "rgb-leds-platform",.owner = THIS_MODULE,.of_match_table = rgb_led,}};

这部分定义了：

1. 设备树匹配表，用于匹配compatible属性为"fire,rgb_led"的设备树节点
2. 平台驱动结构体，指定了探测函数、驱动名称、所有者和匹配表

1.6 模块初始化和注销函数

static int __init led_platform_driver_init(void)
{int DriverState;DriverState = platform_driver_register(&led_platform_driver);printk(KERN_ALERT "\tDriverState is %d\n", DriverState);return 0;
}static void __exit led_platform_driver_exit(void)
{/*取消物理地址映射到虚拟地址*/iounmap(led_green.virtual_CCM_CCGR);iounmap(led_green.virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD);iounmap(led_green.virtual_IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD);iounmap(led_green.virtual_DR);iounmap(led_green.virtual_GDIR);iounmap(led_red.virtual_CCM_CCGR);iounmap(led_red.virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD);iounmap(led_red.virtual_IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD);iounmap(led_red.virtual_DR);iounmap(led_red.virtual_GDIR);iounmap(led_blue.virtual_CCM_CCGR);iounmap(led_blue.virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD);iounmap(led_blue.virtual_IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD);iounmap(led_blue.virtual_DR);iounmap(led_blue.virtual_GDIR);/*删除设备*/device_destroy(class_led, led_devno);        //清除设备class_destroy(class_led);                    //清除类cdev_del(&led_chr_dev);                      //清除设备号unregister_chrdev_region(led_devno, DEV_CNT); //取消注册字符设备/*注销字符设备*/platform_driver_unregister(&led_platform_driver);printk(KERN_ALERT "led_platform_driver exit!\n");
}module_init(led_platform_driver_init);
module_exit(led_platform_driver_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

模块初始化和注销函数：

1. led_platform_driver_init：注册平台驱动并打印状态
2. led_platform_driver_exit：

• 释放所有虚拟地址映射
• 销毁设备和设备类
• 删除字符设备
• 注销平台驱动
• 打印退出信息

3. 使用module_init和module_exit宏注册这些函数
4. 声明模块许可证为GPL

二、设备树配置

设备树是连接硬件与驱动的桥梁，这部分定义了RGB LED所需的硬件资源：

/*
*CCM_CCGR1                         0x020C406C
*IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO04  0x020E006C
*IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO04  0x020E02F8
*GPIO1_GD                          0x0209C000
*GPIO1_GDIR                        0x0209C004
*//*
*CCM_CCGR3                         0x020C4074
*IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_CSI_HSYNC   0x020E01E0
*IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_CSI_HSYNC   0x020E046C
*GPIO4_GD                          0x020A8000
*GPIO4_GDIR                        0x020A8004
*//*
*CCM_CCGR3                         0x020C4074
*IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_CSI_VSYNC   0x020E01DC
*IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_CSI_VSYNC   0x020E0468
*GPIO4_GD                          0x020A8000
*GPIO4_GDIR                        0x020A8004
*//*添加led节点*/rgb_led{#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;compatible = "fire,rgb_led";/*红灯节点*/ranges;rgb_led_red@0x020C406C{reg = <0x020C406C 0x000000040x020E006C 0x000000040x020E02F8 0x000000040x0209C000 0x000000040x0209C004 0x00000004>;status = "okay";};/*绿灯节点*/rgb_led_green@0x020C4074{reg = <0x020C4074 0x000000040x020E01E0 0x000000040x020E046C 0x000000040x020A8000 0x000000040x020A8004 0x00000004>;status = "okay";};/*蓝灯节点*/rgb_led_blue@0x020C4074{reg = <0x020C4074 0x000000040x020E01DC 0x000000040x020E0468 0x000000040x020A8000 0x000000040x020A8004 0x00000004>;status = "okay";};};

其中 0x020E01E0 是 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_CSI_HSYNC 的寄存器地址。这个寄存器就是用来配置 CSI_HSYNC 引脚功能的复用控制寄存器。同样，0x020E046C 是 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_CSI_HSYNC 的寄存器地址，用于设置 CSI_HSYNC 引脚的电气特性。

蓝色 LED 节点也类似，使用 0x020E01DC（IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_CSI_VSYNC） 和 0x020E0468（IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_CSI_VSYNC） 来配置 CSI_VSYNC 引脚。

在 i.MX 处理器的设计中，每个引脚都有专用的复用控制寄存器和 PAD 控制寄存器，寄存器的地址是固定的，与引脚一一对应。因此在设备树中，我们只需要提供寄存器地址，而不需要显式地声明引脚名称，驱动程序通过访问对应地址的寄存器就能控制特定的引脚。

这就是为什么在设备树中看不到 “CSI_HSYNC” 或 “CSI_VSYNC” 这些名称的原因 - 它们是通过对应的寄存器地址来表示的。而在电路图中，则直接使用引脚的功能名称来标识连接方式。

这种做法在嵌入式系统中很常见，因为它直接反映了硬件设计，而不需要额外的名称映射层。

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三、从原理图分析设备树配置

3.1 引脚与GPIO的对应关系

查看i.MX6UL原理图，我们可以发现RGB LED连接到以下引脚：

• 红色LED: CSI_VSYNC引脚

• 绿色LED: CSI_HSYNC引脚

• 蓝色LED: CSI_DATA00引脚
  根据i.MX6UL数据手册中的引脚复用表：

• CSI_VSYNC的ALT5功能对应GPIO1_04

• CSI_HSYNC的ALT5功能对应GPIO4_20

• CSI_DATA00的ALT5功能对应GPIO4_19
  这是为什么设备树中我们配置了：

led-red {gpio-pin = <4>;  /* GPIO1_04 */
}

3.2 寄存器地址解析

设备树中的reg属性定义了控制每个LED所需的寄存器地址：

1. 时钟控制寄存器（CCM_CCGR1） : 0x020C4074

• 在i.MX6UL中，GPIO模块需要使能时钟才能工作
• CCM_CCGR1寄存器控制GPIO1的时钟门控

2. 引脚复用控制寄存器 （IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_CSI_VSYNC） : 0x020E01B0

• 控制CSI_VSYNC引脚的功能选择
• 写入0x05选择ALT5功能，即GPIO1_04

3. 引脚电气特性寄存器（IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_CSI_VSYNC） : 0x020E0478

• 控制引脚的驱动能力、上拉/下拉电阻等
• 值0x10B0配置适当的驱动强度和上拉电阻

4. GPIO数据寄存器（GPIO1_DR） : 0x0209C000

• 控制GPIO1组引脚的输出电平
• 第4位控制GPIO1_04的输出电平

5. GPIO方向寄存器（GPIO1_GDIR） : 0x0209C004

• 控制GPIO1组引脚的方向（输入/输出）
• 设置第4位为1，将GPIO1_04配置为输出

3.3 电路连接分析

从原理图可以看出，RGB LED采用的是共阳极连接方式：

• LED的阳极连接到电源（VCC）
• LED的阴极通过限流电阻连接到MCU的GPIO引脚
• 当GPIO输出低电平时，LED点亮
• 当GPIO输出高电平时，LED熄灭
  这就是为什么在驱动代码中：

if (write_data & 0x02){register_data = ioread32(led_green.virtual_DR);register_data &= ~(0x01 << 20);iowrite32(register_data, led_green.virtual_DR); // GPIO4_20引脚输出低电平，绿灯亮}else{register_data = ioread32(led_green.virtual_DR);register_data |= (0x01 << 20);iowrite32(register_data, led_green.virtual_DR); // GPIO4_20引脚输出高电平，绿灯灭}

四、引脚复用机制详解

i.MX6处理器的引脚复用是通过IOMUXC模块实现的。每个引脚可以配置为多种功能（ALT0~ALT7）。

4.1 引脚功能选择过程

    register_data = ioread32(led_red.virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD);register_data &= ~(0xf << 0);// 清除低4位register_data |= (0x05 << 0);// 设置为ALT5模式iowrite32(register_data, led_red.virtual_IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD); //设置复用功能

值0x05表示选择ALT5功能，将CSI_VSYNC配置为GPIO1_04。

4.2 为什么要配置PAD属性

PAD属性配置影响引脚的电气特性：

    register_data = (0x10B0);iowrite32(register_data, led_red.virtual_IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD); //设置PAD 属性

值0x10B0包含以下配置：

• 上拉/下拉选择
• 上拉/下拉强度
• 开漏输出使能/禁用
• 驱动强度
• 速率控制
• 迟滞比较器使能/禁用
  这些配置确保GPIO引脚有正确的驱动能力和电气特性，使LED能够正常工作。

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五、实验

5.1 添加设备树

5.2 编译设备树

5.3 替换设备树

5.4 编译驱动文件

5.5 加载驱动文件

5.6 往设备文件写入值（点灯！！！）

sudo sh -c "echo '3'>/dev/rgb_led"

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总结

通过本文，我们详细解析了在i.MX6ULL平台上如何：

• 编写驱动程序控制RGB LED
• 配置设备树定义硬件资源
• 根据原理图理解硬件连接与设备树配置的关系

这种基于设备树的驱动开发方式具有良好的可移植性和可维护性，是现代嵌入式Linux开发的标准实践。通过理解从原理图到设备树再到驱动代码的全链路，可以更加深入地掌握嵌入式系统的软硬件协同工作原理