Linux驱动开发笔记（二）基于字符设备驱动的GPIO操作

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#linux #驱动开发 #笔记

于 2024-05-21 09:12:11 首次发布

前言

前段时间我们学习了字符驱动，并实现了字符的回环发送，这部分我们将进行I/O的操作学习，以万能的点亮LED为例。

一、设备驱动的作用与本质

直接操作寄存器点亮LED和通过驱动程序点亮LED最本质的区别就是有无使用操作系统。有操作系统的存在则大大降低了应用软件与硬件平台的耦合度，它充当了我们硬件与应用软件之间的纽带，使得应用软件只需要调用驱动程序接口API就可以让硬件去完成要求的开发，而应用软件则不需要关心硬件到底是如何工作的。

1. 驱动的作用

设备驱动与底层硬件直接打交道，按照硬件设备的具体工作方式读写设备寄存器，完成设备的轮询、中断处理、DMA通信，进行物理内存向虚拟内存的映射，最终使通信设备能够收发数据，使显示设备能够显示文字和画面，使存储设备能够记录文件和数据。

2. 有无操作系统的区别

无操作系统(即裸机)时的设备驱动也就是直接操作寄存器的方式控制硬件，在这样的系统中，虽然不存在操作系统，但是设备驱动是必须存在的。一般情况下，对每一种设备驱动都会定义为一个软件模块，包含.h文件和.c文件，前者定义该设备驱动的数据结构并声明外部函数，后者进行设备驱动的具体实现。其他模块需要使用这个设备的时候，只需要包含设备驱动的头文件然后调用其中的外部接口函数即可。比如我们在51或者STM32中直接看手册查找对应的寄存器，然后往寄存器相应的位写入数据0或1便可以实现LED的亮灭。
有操作系统时的设备驱动反观有操作系统。首先，驱动硬件工作的的部分仍然是必不可少的，其次，我们还需要将设备驱动融入内核。为了实现这种融合，必须在所有的设备驱动中设计面向操作系统内核的接口，这样的接口由操作系统规定，对一类设备而言结构一致，独立于具体的设备，还是以led为例，我们就要将LED灯引脚对应的数据寄存器(物理地址)映射到程序的虚拟地址空间当中，然后我们就可以像操作寄存器一样去操作我们的虚拟地址啦！

二、内存管理单元MMU

MMU是一个实际的硬件，为编程提供了方便统一的内存空间抽象，MMU内部有一个专门存放页表的页表地址寄存器，该寄存器存放着页表的具体位置，这使得只要程序在被分配的虚拟地址范围内进行读写操作，实际上就是对设备(寄存器)的访问，如下图所示。他的主要作用是将虚拟地址翻译成真实的物理地址同时管理和保护内存，不同的进程有各自的虚拟地址空间，某个进程中的程序不能修改另外一个进程所使用的物理地址，以此使得进程之间互不干扰，相互隔离。总体而言MMU具有如下功能：

保护内存： MMU给一些指定的内存块设置了读、写以及可执行的权限，这些权限存储在页表当中，MMU会检查CPU当前所处的是特权模式还是用户模式，如果和操作系统所设置的权限匹配则可以访问，如果CPU要访问一段虚拟地址，则将虚拟地址转换成物理地址，否则将产生异常，防止内存被恶意地修改。
提供方便统一的内存空间抽象，实现虚拟地址到物理地址的转换： CPU可以运行在虚拟的内存当中，虚拟内存一般要比实际的物理内存大很多，使得CPU可以运行比较大的应用程序。

在这里插入图片描述

三、相关函数

上面提到了物理地址到虚拟地址的转换函数。包括ioremap()地址映射和取消地址映射iounmap()函数。

1. ioremap( )

//用于将物理内存地址映射到内核的虚拟地址空间
void __iomem *ioremap(phys_addr_t phys_addr, unsigned long size)

//定义寄存器物理地址
#define GPIO0_BASE (0xFDD60000)
#define GPIO0_DR (GPIO0_BASE+0x0000)

va_dr = ioremap(GPIO0_DR, 4);    // 将物理地址GPIO0_DR，映射给虚拟地址指针，这段地址大小为4个字节
val = ioread32(va_dr);			 //读取该地址的值，保存到临时变量，重新赋值
val |= (0x00400000);             // 设置GPIO0_A6引脚低电平
writel(val, va_dr);				 //把值重新写入到被映射后的虚拟地址当中，实际是往寄存器中写入了数据

参数：
- phys_addr：要映射的物理地址的起始地址
- size：要映射的内存区域的大小（以字节为单位）
返回值：
- 如果成功，ioremap返回一个指向映射区域的虚拟地址的指针
- 如果失败，返回NULL

在使用ioremap函数将物理地址转换成虚拟地址之后，理论上我们便可以直接读写I/O内存，但是为了符合驱动的跨平台以及可移植性，我们应该使用linux中指定的函数(如：iowrite8()、iowrite16()、iowrite32()、ioread8()、ioread16()、ioread32()等)去读写I/O内存，如下表所示：

函数名	功能
unsigned int ioread8(void __iomem *addr)	读取一个字节(8bit)
unsigned int ioread16(void __iomem *addr)	读取一个字(16bit)
unsigned int ioread32(void __iomem *addr)	读取一个双字(32bit)
void iowr