【i.MX6ULL】驅(qū)動開發(fā)4——點亮LED(寄存器版)
)，介紹了i.MX6ULL芯片的GPIO的工作原理與寄存器配置。
在介紹如何通過寄存器來控制LED之前，需要先來了解一下有關(guān)Linux地址映射相關(guān)的知識。
1 地址映射
Linux或是STM32，對于硬件的控制，本質(zhì)都是操作寄存器，在對應(yīng)的地址進行數(shù)據(jù)的讀寫。若是在裸機開發(fā)中，可以控制CPU直接操作寄存器的地址，實現(xiàn)相應(yīng)的功能，其過程是這樣的：
linux環(huán)境，一般是不會直接訪問物理內(nèi)存，因為如果用戶不小心修改了內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，很有可能造成錯誤甚至系統(tǒng)崩潰。為了避免這些問題，linux內(nèi)核便引入了MMU和TLB進行內(nèi)存地址映射，通過訪問虛擬地址實現(xiàn)對實際物理地址的讀寫：
1.1 MMU介紹
MMU，Memory Manage Unit，即內(nèi)存管理單元，它提供統(tǒng)一的內(nèi)存空間抽象，程序通過訪問虛擬內(nèi)存中的地址，MMU將虛擬地址（Virtual Address）翻譯成實際的物理地址（Physical Address） ，之后CPU即可操作實際的物理地址。
MMU具有如下功能：
保護內(nèi)存： MMU給一些指定的內(nèi)存塊設(shè)置了讀、寫以及可執(zhí)行的權(quán)限，這些權(quán)限存儲在頁表當中，MMU會檢查CPU當前所處的是特權(quán)模式還是用戶模式，只有和操作系統(tǒng)所設(shè)置的權(quán)限匹配才可以訪問。
提供方便統(tǒng)一的內(nèi)存空間抽象，實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換：CPU可以運行在虛擬的內(nèi)存當中，虛擬內(nèi)存一般要比實際的物理內(nèi)存大很多，使得CPU可以運行比較大的應(yīng)用程序。
1.2 TLB介紹
TLB，Translation Lookaside Buffer，即轉(zhuǎn)譯后備緩沖器，也稱頁表緩存，里面存放的是一些頁表文件（虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換表），又稱為快表技術(shù)。
當CPU第一次查找一個虛擬地址時，硬件通過3級頁表（page table）得到最終的PPN（Physical Page Number），TLB會保存虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。這樣在下一次訪問同一個虛擬地址時，處理器通過查看TLB來直接返回物理地址，而不需要通過page table得到結(jié)果，從而提高地址轉(zhuǎn)換的效率。
1.3 I/O映射函數(shù)
Linux內(nèi)核啟動的時候會初始化MMU，設(shè)置好內(nèi)存映射，設(shè)置好以后CPU訪問的都是虛擬地址。
那在程序編寫的時候，如何進行物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存之間的轉(zhuǎn)換呢？這就需要用到兩個函數(shù)：ioremap和iounmap。
ioremap()
ioremap函數(shù)用將物理地址映射為虛擬地址。
iounmap()
iounmap函數(shù)的作用是釋放掉ioremap函數(shù)所做的映射，即反向操作，在卸載驅(qū)動的時候需要調(diào)用。
1.4 I/O內(nèi)存訪問函數(shù)
在使用ioremap函數(shù)將物理地址轉(zhuǎn)換成虛擬地址之后，理論上我們便可以直接讀寫 I/O 內(nèi)存，但是為了符合驅(qū)動的跨平臺以及可移植性，我們應(yīng)該使用 linux 中指定的函數(shù)（如：iowrite8()、iowrite16()、iowrite32()、ioread8()、ioread16()、ioread32() 等）去讀寫 I/O 內(nèi)存，而非直接通過映射后的指向虛擬地址的指針進行訪問。讀寫 I/O 內(nèi)存的函數(shù)如下：
對于讀I/O而言，他們都只有一個 __iomem 類型指針的參數(shù)，指向被映射后的地址，返回值為讀取到的數(shù)據(jù)；
對于寫I/O而言他們都有兩個參數(shù)，第一個為要寫入的數(shù)據(jù)，第二個參數(shù)為要寫入的地址，返回值為空。
與這些函數(shù)相似的還有writeb、writew、writel、readb、readw、readl 等
在 ARM 架構(gòu)下，writex（readx）函數(shù)與 iowritex（ioreadx）有一些區(qū)別，writex（readx）不進行端序的檢查，而 iowritex（ioreadx）會進行端序的檢查。
2 程序編寫
2.1 LED驅(qū)動程序
led驅(qū)動也是屬于字符設(shè)備驅(qū)動的，之前介紹了新舊兩種字符驅(qū)動的寫法，本篇led驅(qū)動就按照新字符設(shè)置驅(qū)動的寫法來編寫。
關(guān)于新字符設(shè)備的驅(qū)動模塊，可參考之前的文章：
這里再放一張新字符設(shè)備開發(fā)的模板框架
2.1.1 字符設(shè)備的基本框架
2.1.2 具體完善
1）GPIO寄存器宏定義
需要配置相關(guān)的寄存器，就要對照著LED這個GPIO的硬件按需配置。
有關(guān)GPIO的各種寄存器的使用原理介紹，請參考上篇文章的介紹。
CCM 是用來進行時鐘的使能，其寄存器包括CCGR0~CCGR6，因為LED用到GPIO屬于GPIO5，它對應(yīng)的時鐘配置寄存器就是CCM_CCGR1
MUX 是用來將IO復(fù)用為GPIO
PAD 是用來配置IO的基本參數(shù)（驅(qū)動能力、壓擺率、上下拉等）
GPIO5_DR 數(shù)據(jù)寄存器，當GPIO為輸出模式時，用來設(shè)置對應(yīng)的高低電平
GPIO5_GDIR 方向寄存器，用來設(shè)置輸入還是輸出
以上是先對這些需要使用的寄存器的地址聲明宏定義（這些寄存器的地址可通過查閱i.MX6ULL數(shù)據(jù)手冊得到），然后再聲明對應(yīng)的虛擬地址的指針，因為Linux開始MMU后，就不能直接對寄存器的地址直接操作了，需要使用映射后的虛擬地址。
2）GPIO硬件初始化
主要包括以下幾步：
寄存器地址映射：將需要用的寄存器的物理地址映射為虛擬地址
使能GPIO1時鐘：就是配置CCM_CCGR1寄存器
設(shè)置GPIO5_IO03的復(fù)用功能：配置MUX和PAD寄存器
設(shè)置GPIO5_IO03為輸出功能：配置GPIO5_GDIR方向寄存器
初始默認關(guān)閉LED：配置GPIO5_DR數(shù)據(jù)寄存器
具體配置過程如下，主要這里使用"與"和"或"的位運算操作，來配置寄存器中對應(yīng)位的值。
3）字符設(shè)備初始化
需要定義led字符設(shè)備結(jié)構(gòu)體，來管理這個led設(shè)備。
具體的led字符設(shè)備初始化流程:
初始化LED的GPIO（上面剛介紹）
創(chuàng)建設(shè)備號
初始化cdev字符設(shè)備
添加cdev字符設(shè)備
創(chuàng)建類
創(chuàng)建設(shè)備
4）LED亮滅控制
驅(qū)動程序中，對于LED的控制，可以分為兩步。
第一步是接收和解析應(yīng)用層發(fā)來的控制數(shù)據(jù)（0或1來控制亮滅），將控制參數(shù)傳遞給具體的開關(guān)led的函數(shù)：
第二步就是根據(jù)指令參數(shù)，通過控制數(shù)據(jù)寄存器GPIO5_DR來實現(xiàn)GPIO的高低電平輸出，從而實現(xiàn)LED的亮滅：
5）驅(qū)動退出
驅(qū)動不再使用時，需要注銷相關(guān)的設(shè)備：
首先釋放掉這些地址映射：
具體的注銷過程：
驅(qū)動程序基本就是這些，完整的程序見我的gitee倉庫：https://gitee.com/xxpcb/imx6ull
2.2 LED應(yīng)用程序
寫完了驅(qū)動程序（BSP），還要寫對應(yīng)的應(yīng)用程序（APP）。
目前的應(yīng)用程序比較簡短，因為在Linux中，一切皆文件，所以，對于LED的控制，就是通過向文件中寫入0或1來實現(xiàn)LED的亮滅。
先來對0和1進行宏定義：
然后就是main函數(shù)了：
3 實驗測試
3.1 程序編譯與下載
再來復(fù)習(xí)一下基本步驟：
ubuntu中通過gcc交叉編譯器編譯出led的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序
搭建局域網(wǎng)環(huán)境（電腦和linux板子連接到同一個路由器下，Linux板子以及燒錄了鏡像文件，能夠正常運行）
通過tftp服務(wù)將兩個文件發(fā)送到linux板子的對應(yīng)目錄中（/lib/modules/4.1.15目錄）
進行字符設(shè)備的加載，以及文件讀寫測試（控制led亮滅）
程序的具體編譯過程與之前的類似，這里不再贅述，可參考之前的文章（如這篇：）
3.2 實驗現(xiàn)象
首先來看一下板子上LED的位置，如下圖的電路上的標號D14處：
然后在串口中，按照之前介紹字符設(shè)備的加載流程，先加載led字符設(shè)備，然后就可以下向應(yīng)用程序?qū)?或0來控制led的亮滅了。
led點亮的效果如下：
4 總結(jié)
本篇主要介紹了如何通過操作寄存器來點亮i.MX6ULL開發(fā)板上的led，通過編寫LED對應(yīng)的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，實現(xiàn)程序設(shè)計的分層。
因為Linux使用了MMU進行虛擬地址管理，因此在操作寄存器時，要進行地址映射后再操作。最后通過程序的實際測試，驗證了led的亮滅功能。
本篇的完整程序見我的gitee倉庫：https://gitee.com/xxpcb/imx6ull?
