深入解析Linux PWM子系统架构

Linux PWM子系统框架详解

一、引言

在嵌入式Linux系统中，PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种常用的外设控制方式，广泛应用于LED调光、电机控制、蜂鸣器驱动等场景。Linux内核为PWM提供了统一的子系统接口，使得驱动开发者和应用层可以方便地进行配置和控制。本文将深入分析Linux PWM子系统的整体架构、核心组件、驱动接口和使用方式，帮助开发者全面理解和掌握PWM子系统的开发与调试。

二、PWM基本概念回顾

2.1 PWM定义

PWM是一种通过调节脉冲信号的占空比（duty cycle）来实现模拟信号近似输出的技术，其核心思想是将固定频率的脉冲信号的高电平时间进行调整。

2.2 关键参数

• 周期（Period）：完整一个高低电平循环所需时间。
• 占空比（Duty Cycle）：一个周期中高电平持续的时间，占总周期的比例。
• 极性（Polarity）：表示高电平是否在前。

2.3 应用场景

• LED亮度控制
• 有刷/无刷电机调速
• 蜂鸣器控制
• 信号模拟输出

三、Linux PWM子系统架构

3.1 架构图

用户空间
   ↓
/sys/class/pwm/          // Sysfs接口
/dev/pwmchipX            // Character Device接口（v5.8后）
   ↓
kernel层
 → pwm-core.c            // 核心框架
 → pwm-sysfs.c           // sysfs支持
 → pwm-cdev.c            // char dev支持
 → 驱动: pwm-xxx.c       // 各SoC或平台PWM控制器驱动
 → 硬件PWM控制器        // 实际外设

3.2 主要组成

• PWM core：位于drivers/pwm/pwm-core.c，负责统一管理PWM控制器和PWM设备，提供注册、分配、释放、使能、禁用等API。
• PWM chip：表示一个PWM控制器，由驱动程序注册。
• PWM device：具体的PWM通道（channel），是用户可控制的对象。
• Sysfs接口：通过文件系统路径控制PWM设备，如/sys/class/pwm/pwmchip0/。
• Char Device接口：新增字符设备节点，支持epoll等操作。

四、PWM核心数据结构详解

4.1 struct pwm_chip

struct pwm_chip {
    struct device *dev;
    const struct pwm_ops *ops;
    int base;
    unsigned int npwm;
    struct pwm_device *pwms;
    struct list_head list;
};

• dev：绑定的device设备
• ops：操作函数集合
• base：通道基编号（-1表示自动分配）
• npwm：控制器支持的PWM通道数

4.2 struct pwm_device

struct pwm_device {
    struct pwm_chip *chip;
    unsigned int hwpwm;
    unsigned int period;
    unsigned int duty_cycle;
    bool enabled;
    unsigned int polarity;
    struct pwm_state state;
};

• hwpwm：硬件通道编号
• state：当前PWM状态，包含周期、占空比、极性等

4.3 struct pwm_ops

struct pwm_ops {
    int (*request)(...);
    void (*free)(...);
    int (*enable)(...);
    void (*disable)(...);
    int (*apply)(...);   // 推荐使用
    struct module *owner;
};

• 各函数用于PWM申请、释放、启动、停止、配置等操作

五、PWM控制器驱动开发

5.1 驱动注册

pwmchip_add(&chip);

• 驱动中定义并初始化pwm_chip结构体，然后通过pwmchip_add向PWM core注册

5.2 实现pwm_ops

static const struct pwm_ops my_pwm_ops = {
    .enable = my_pwm_enable,
    .disable = my_pwm_disable,
    .apply = my_pwm_apply,
    .owner = THIS_MODULE,
};

5.3 设备树支持

pwm0: pwm@0 {
    compatible = "vendor,pwm";
    reg = <...>;
    #pwm-cells = <3>; // 通常为period、duty_cycle、polarity
};

驱动中实现.of_xlate()和.of_parse()以解析设备树配置。

六、用户空间控制方式

6.1 Sysfs方式

echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip0/export

echo 1000000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/period
echo 500000  > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/duty_cycle
echo 1 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/enable

6.2 Char Device方式（Linux 5.8+）

int fd = open("/dev/pwmchip0", O_RDWR);
struct pwm_args args = {
    .period = 1000000,
    .duty_cycle = 500000,
};
ioctl(fd, PWM_IOCTL_SET_CONFIG, &args);
ioctl(fd, PWM_IOCTL_ENABLE);

6.3 Libgpiod/libpwm封装

一些上层库提供更简洁的接口封装，例如libpwm，适用于快速应用开发。

七、内核中PWM子系统API分析

7.1 通道控制API

struct pwm_device *pwm_get(...);
int pwm_apply_state(...);
void pwm_enable(...);
void pwm_disable(...);
void pwm_put(...);

7.2 内核驱动中使用PWM

设备驱动中可通过设备树或平台数据获取PWM资源，然后使用pwm_apply_state进行控制。

八、实例分析：LED调光驱动

8.1 设备树配置

led-pwm {
    compatible = "pwm-led";
    pwms = <&pwm0 0 1000000 0>;
};

8.2 驱动核心代码

struct pwm_device *pwm = devm_pwm_get(...);
struct pwm_state state;
pwm_get_state(pwm, &state);
state.period = 1000000;
state.duty_cycle = 300000;
pwm_apply_state(pwm, &state);
pwm_enable(pwm);

九、调试技巧与常见问题

9.1 无法导出pwm

• 检查是否正确注册驱动
• 查看dmesg中是否报错

9.2 PWM无波形输出

• 检查频率和占空比是否合理
• 是否成功调用pwm_enable
• 是否存在引脚复用冲突

9.3 多设备抢占冲突

• 保证独占PWM通道，避免多个设备重复申请

十、总结

Linux PWM子系统提供了完整的抽象和封装，极大地方便了平台相关驱动开发和用户层控制。通过统一的数据结构、标准的API接口、清晰的设备树绑定方式，PWM设备的接入和使用变得更加规范和稳定。随着Linux内核版本的迭代，字符设备接口等新特性也在不断增强其灵活性和功能性。掌握PWM子系统，不仅是深入嵌入式Linux开发的基础，也是实现复杂外设控制的重要一环。

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