嵌入式Linux驱动开发：蜂鸣器驱动

1. 引言

本文档详细记录了基于i.MX6ULL处理器的蜂鸣器驱动开发过程。内容涵盖驱动的理论基础、代码实现、设备树配置以及用户空间应用程序的编写。本文档严格遵循用户提供的代码和文档，确保理论与实践的紧密结合。本文档旨在为嵌入式Linux驱动开发者提供一份详尽的参考，帮助理解平台驱动模型、设备树的使用以及字符设备驱动的实现。

2. 理论基础

2.1 Linux驱动模型

Linux内核提供了多种驱动模型，以适应不同的硬件设备。其中，平台驱动模型（Platform Driver Model）是针对SoC（System on Chip）内部集成的外设而设计的。这些外设通常与CPU紧密耦合，其资源（如内存映射、中断）在系统启动时就已经确定。

平台驱动模型的核心思想是将设备和驱动分离，通过设备树（Device Tree）来描述硬件信息。设备树在系统启动时被加载，内核根据设备树中的节点信息来创建平台设备（platform_device），然后平台总线（platform_bus）负责匹配设备和驱动。

2.2 平台驱动模型

平台驱动模型由三个主要部分组成：平台设备（platform_device）、平台驱动（platform_driver）和平台总线（platform_bus）。

  • 平台设备（platform_device）：代表一个物理设备。它包含了设备的资源信息，如内存地址、中断号等。在旧的内核版本中，这些信息通常在内核启动时静态注册。在现代内核中，这些信息通常由设备树提供。
  • 平台驱动（platform_driver）：代表一个驱动程序。它包含了驱动的初始化、卸载、探测（probe）和移除（remove）等函数。驱动通过platform_driver_register函数注册到平台总线上。
  • 平台总线（platform_bus）：负责匹配设备和驱动。当一个平台设备被注册时，平台总线会遍历所有已注册的平台驱动，通过of_match_table或name字段进行匹配。如果匹配成功，则调用驱动的probe函数。

2.3 设备树（Device Tree）

设备树是一种描述硬件的文本文件，它使用一种树形结构来组织信息。设备树文件（.dts）在编译时被转换为设备树二进制文件（.dtb），并在系统启动时被加载到内存中。

设备树的主要优点是：

  • 硬件描述与驱动代码分离：驱动代码不再需要硬编码硬件信息，使得驱动更具可移植性。
  • 动态配置：可以通过修改设备树文件来改变硬件配置，而无需重新编译内核。

在设备树中，每个节点代表一个设备或子系统。节点的属性（properties）描述了设备的特性。例如，compatible属性用于匹配驱动，reg属性描述了设备的内存映射地址，interrupts属性描述了设备的中断号。

2.4 字符设备驱动

字符设备是Linux中最基本的设备类型之一，它以字节流的形式进行数据传输。字符设备驱动的核心是file_operations结构体，它定义了驱动支持的操作，如open、read、write、release等。

在Linux内核中，每个字符设备都有一个主设备号和一个次设备号。主设备号标识设备类型，次设备号标识具体的设备实例。设备文件通常位于/dev目录下。

2.5 杂项设备（Miscellaneous Device）

杂项设备是一种特殊的字符设备，它使用一个固定的主设备号（10），次设备号范围为0到255。杂项设备的目的是简化字符设备的注册过程。通过使用misc_register函数，驱动可以避免手动分配设备号和创建设备文件。

3. 代码实现

3.1 平台设备（leddevice.c）

leddevice.c文件定义了一个平台设备，该设备用于模拟一个LED。虽然文件名为leddevice.c，但其内容实际上与蜂鸣器驱动相关。该文件的主要作用是向内核注册一个平台设备，该设备描述了蜂鸣器所需的硬件资源。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/platform_device.h>/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE (0X020C406C)
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE (0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE (0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE (0X0209C004)#define REGISTER_LNE 4
  • 寄存器物理地址：这些宏定义了i.MX6ULL处理器中与GPIO相关的寄存器的物理地址。CCM_CCGR1_BASE是时钟控制模块的寄存器，用于使能GPIO1的时钟。SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE和SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE分别是复用和电气特性的配置寄存器。GPIO1_DR_BASE和GPIO1_GDIR_BASE分别是GPIO数据寄存器和方向寄存器。
void leddevice_realease(struct device *dev)
{printk("Device: leddevice_realease!\r\n");
}
  • 设备释放函数：当平台设备被注销时，内核会调用此函数。这是一个空函数，仅用于打印一条调试信息。
static struct resource led_resources[] = {[0] = {.start = CCM_CCGR1_BASE,.end = CCM_CCGR1_BASE + REGISTER_LNE - 1,.flags = IORESOURCE_MEM,},[1] = {.start = SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE,.end = SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE + REGISTER_LNE - 1,.flags = IORESOURCE_MEM,},[2] = {.start = SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE,.end = SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE + REGISTER_LNE - 1,.flags = IORESOURCE_MEM,},[3] = {.start = GPIO1_DR_BASE,.end = GPIO1_DR_BASE + REGISTER_LNE - 1,.flags = IORESOURCE_MEM,},[4] = {.start = GPIO1_GDIR_BASE,.end = GPIO1_GDIR_BASE + REGISTER_LNE - 1,.flags = IORESOURCE_MEM,},
};
  • 资源数组：led_resources数组定义了平台设备所需的资源。每个资源结构体包含起始地址、结束地址和标志。IORESOURCE_MEM标志表示这是一个内存资源。这些资源在驱动的probe函数中被映射到虚拟地址空间。
static struct platform_device leddevice = {.name = "imx6ull-led",.id = -1,.dev = {.release = leddevice_realease,},.num_resources = ARRAY_SIZE(led_resources),.resource = led_resources,
};
  • 平台设备结构体：leddevice结构体定义了一个平台设备。.name字段必须与驱动中的.name字段匹配，以便平台总线能够正确匹配设备和驱动。.id字段设置为-1，表示这是唯一的设备实例。.dev.release字段指定了设备释放函数。.num_resources和.resource字段指定了设备的资源。
static int __init
leddevice_init(void)
{platform_device_register(&leddevice);return 0;
}static void __exit leddevice_exit(void)
{platform_device_unregister(&leddevice);
}module_init(leddevice_init);
module_exit(leddevice_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
  • 模块初始化和退出：leddevice_init函数在模块加载时被调用，它注册平台设备。leddevice_exit函数在模块卸载时被调用，它注销平台设备。module_init和module_exit宏用于指定初始化和退出函数。

3.2 蜂鸣器驱动（miscbeep.c）

miscbeep.c文件实现了蜂鸣器的驱动程序。该驱动使用平台驱动模型和杂项设备框架。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/miscdevice.h>#define MISCBEEP_NAME "miscbeep"
#define MISCBEEP_MINOR 144
#define BEEP_OFF 0
#define BEEP_ON 1
  • 宏定义：MISCBEEP_NAME定义了杂项设备的名称，该名称将出现在/dev目录下。MISCBEEP_MINOR定义了次设备号。BEEP_OFF和BEEP_ON定义了蜂鸣器的状态。
struct miscbeep_dev
{int beep_gpio;struct device_node *nd;
};
struct miscbeep_dev miscbeep;
  • 设备结构体：miscbeep_dev结构体用于保存驱动的状态信息。beep_gpio字段保存了蜂鸣器GPIO的编号。nd字段保存了设备树节点的指针，用于在probe函数中获取设备信息。
static int miscbeep_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &miscbeep;return 0;
}
  • open函数：当用户空间程序打开设备文件时，内核调用此函数。该函数将设备结构体的指针保存在filp->private_data中，以便在后续的read、write等操作中使用。
static ssize_t miscbeep_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *ppos)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char beepstat;struct miscbeep_dev *dev = filp->private_data;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if (retvalue < 0){printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}beepstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */if (beepstat == BEEP_ON){gpio_set_value(dev->beep_gpio, 0); /* 打开蜂鸣器 */}else if (beepstat == BEEP_OFF){gpio_set_value(dev->beep_gpio, 1); /* 关闭蜂鸣器 */}return 0;
}
  • write函数：当用户空间程序向设备文件写入数据时，内核调用此函数。该函数首先使用copy_from_user函数将用户空间的数据复制到内核空间。然后，根据写入的数据（0或1）来控制蜂鸣器的开关。gpio_set_value函数用于设置GPIO的电平。注意，蜂鸣器的控制逻辑是低电平有效，因此写入0表示打开，写入1表示关闭。
static int miscbeep_release(struct inode *inode, struct file *filep)
{return 0;
}
  • release函数：当用户空间程序关闭设备文件时，内核调用此函数。该函数目前为空，但在实际应用中，可以用于释放资源或执行清理操作。
struct file_operations miscbeep_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = miscbeep_open,.write = miscbeep_write,.release = miscbeep_release,
};
  • 文件操作结构体：miscbeep_fops结构体定义了驱动支持的操作。.owner字段设置为THIS_MODULE，表示该结构体属于当前模块。.open、.write和.release字段分别指向相应的函数。
struct miscdevice beep_miscdev = {.minor = MISCBEEP_MINOR,.name = MISCBEEP_NAME,.fops = &miscbeep_fops,
};
  • 杂项设备结构体：beep_miscdev结构体定义了杂项设备。.minor字段指定了次设备号。.name字段指定了设备名称。.fops字段指向文件操作结构体。
static int miscbeep_probe(struct platform_device *dev)
{int ret = 0;miscbeep.nd = dev->dev.of_node;miscbeep.beep_gpio = of_get_named_gpio(miscbeep.nd, "beep-gpios", 0);if (miscbeep.beep_gpio < 0){ret = -EINVAL;goto fail_get_gpio;}ret = gpio_request(miscbeep.beep_gpio, "beep-gpio");if (ret){ret = -EINVAL;goto fail_req;}ret = gpio_direction_output(miscbeep.beep_gpio, 1);if (ret < 0){ret = -EINVAL;goto fail_gpio_dir;}ret = misc_register(&beep_miscdev);if (ret){ret = -EINVAL;goto fail_misc_reg;}return 0;
fail_misc_reg:printk("Driver: fail_misc_reg\r\n");
fail_gpio_dir:gpio_free(miscbeep.beep_gpio);printk("Driver: fail_gpio_dir\r\n");
fail_req:printk("Driver: fail_req\r\n");
fail_get_gpio:printk("Driver: fail_get_gpio\r\n");return ret;
}
  • probe函数：当平台总线匹配到设备和驱动时，内核调用此函数。该函数执行以下操作：
    1. 获取设备树节点指针。
    2. 使用of_get_named_gpio函数从设备树中获取蜂鸣器GPIO的编号。
    3. 使用gpio_request函数申请GPIO。
    4. 使用gpio_direction_output函数将GPIO设置为输出模式，并初始化为高电平（关闭蜂鸣器）。
    5. 使用misc_register函数注册杂项设备。
      如果任何一步失败，函数将跳转到相应的错误处理标签，释放已申请的资源。
static int miscbeep_remove(struct platform_device *dev)
{misc_deregister(&beep_miscdev);gpio_set_value(miscbeep.beep_gpio, 1);gpio_free(miscbeep.beep_gpio);return 0;
}
  • remove函数：当平台设备被注销时，内核调用此函数。该函数执行以下操作：
    1. 使用misc_deregister函数注销杂项设备。
    2. 将GPIO设置为高电平，关闭蜂鸣器。
    3. 使用gpio_free函数释放GPIO。
static struct of_device_id beep_of_match[] = {{.compatible = "alientek,beep"},{/* sentinel */},
};
  • 设备树匹配表：beep_of_match数组定义了驱动支持的设备。.compatible字段必须与设备树中的compatible属性匹配。平台总线使用此表来匹配设备和驱动。
struct platform_driver miscbeep_driver = {.driver = {.name = "imx6ul-beep",.of_match_table = beep_of_match,},.remove = miscbeep_remove,.probe = miscbeep_probe,
};
  • 平台驱动结构体：miscbeep_driver结构体定义了平台驱动。.driver.name字段必须与平台设备的.name字段匹配。.of_match_table字段指向设备树匹配表。.probe和.remove字段分别指向probe和remove函数。
static int __init
miscbeep_init(void)
{return platform_driver_register(&miscbeep_driver);
}static void __exit miscbeep_exit(void)
{platform_driver_unregister(&miscbeep_driver);
}module_init(miscbeep_init);
module_exit(miscbeep_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
  • 模块初始化和退出：miscbeep_init函数在模块加载时被调用，它注册平台驱动。miscbeep_exit函数在模块卸载时被调用，它注销平台驱动。

3.3 Makefile

KERNERDIR := /home/ubuntu2004/linux/IMX6ULL/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
CURRENTDIR := $(shell pwd)obj-m := miscbeep.o
build : kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNERDIR) M=$(CURRENTDIR) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNERDIR) M=$(CURRENTDIR) clean
  • Makefile：该Makefile用于编译驱动模块。KERNERDIR变量指定了内核源码的路径。CURRENTDIR变量指定了当前目录的路径。obj-m变量指定了要编译的模块文件。kernel_modules目标调用内核的Makefile来编译模块。clean目标用于清理编译生成的文件。

3.4 用户空间应用程序（miscbeepAPP.c）

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"#define LEDOFF 0
#define LEDON 1/** @description		: main主程序* @param - argc 	: argv数组元素个数* @param - argv 	: 具体参数* @return 			: 0 成功;其他 失败*/
int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;unsigned char databuf[1];if (argc != 3){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];/* 打开led驱动 */fd = open(filename, O_RDWR);if (fd < 0){printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);return -1;}databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭 *//* 向/dev/led文件写入数据 */retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));if (retvalue < 0){printf("LED Control Failed!\r\n");close(fd);return -1;}retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */if (retvalue < 0){printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);return -1;}return 0;
}
  • 用户空间应用程序：该程序用于控制蜂鸣器。它接受两个命令行参数：设备文件路径和操作（0或1）。程序首先打开设备文件，然后向设备文件写入操作数据，最后关闭设备文件。

4. 设备树配置

4.1 设备树节点

在imx6ull-alientek-emmc.dts文件中，定义了蜂鸣器的设备树节点：

beep{compatible = "alientek,beep";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_beep>;states = "okay";beep-gpios = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};
  • compatible：该属性的值必须与驱动中的of_device_id表中的.compatible字段匹配。
  • pinctrl-names和pinctrl-0：这些属性指定了引脚控制配置。pinctrl-0指向pinctrl_beep节点，该节点定义了GPIO5_IO01引脚的复用和电气特性。
  • beep-gpios：该属性指定了蜂鸣器使用的GPIO。<&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>表示使用GPIO5的第1个引脚，高电平有效。

4.2 引脚控制配置

在iomuxc节点中，定义了pinctrl_beep节点：

pinctrl_beep: beepgrp {fsl,pins = <MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER1__GPIO5_IO01	0x10b0>;
};
  • MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER1__GPIO5_IO01：该宏将SNVS_TAMPER1引脚复用为GPIO5_IO01。
  • 0x10b0：该值配置了引脚的电气特性，如驱动强度、上拉/下拉电阻等。

5. 编译和测试

5.1 编译驱动

  1. 将miscbeep.c、Makefile和leddevice.c文件复制到开发板的内核源码目录。
  2. 在miscbeep目录下执行make命令，编译驱动模块。
  3. 使用scp命令将生成的miscbeep.ko文件复制到开发板。

5.2 加载驱动

  1. 在开发板上，使用insmod命令加载leddevice.ko模块：
    insmod leddevice.ko
  2. 加载miscbeep.ko模块：
    insmod miscbeep.ko

5.3 测试驱动

  1. 编译用户空间应用程序：
    gcc -o miscbeepAPP miscbeepAPP.c
  2. 运行应用程序，打开蜂鸣器：
    ./miscbeepAPP /dev/miscbeep 1
  3. 运行应用程序，关闭蜂鸣器：
    ./miscbeepAPP /dev/miscbeep 0

8. 源码仓库

https://gitee.com/dream-cometrue/linux_driver_imx6ull

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