1.前言

本文描述了基于全志V3S开发板的LED驱动程序和测试应用程序的设计流程。通过本次实验我们可以控制V3S电路板上的LED，模拟星空的星星，一闪一闪亮晶晶！

2.设计流程概述

本次实验的设计步骤如下：

步骤一、编写一个driver_gpio.c的驱动程序，讲解io内存概念和ioctrl函数的使用。
步骤二、使用devmem指令验证LED功能。
步骤三、编写makefile文件。
步骤四、编写一个gpio_app.c的应用程序。
步骤五、在V3S开发板中安装driver_gpio驱动程序，并测试gpio_app应用程序。

3.编写驱动程序

编写一个driver_gpio.c的驱动程序，驱动程序源码如下：

/**
*********************************************************************************************************
*                                        		driver_gpio
*                                      (c) Copyright 2021-2031
*                                         All Rights Reserved
*
* @File    : 
* @By      : liwei
* @Version : V0.01
* 
*********************************************************************************************************
**/

/**********************************************************************************************************
Includes 
**********************************************************************************************************/
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/io.h>   
#include <linux/ioport.h>

#define    DEVICE_NAME     "driver_gpio"

#define PIO_BASE_ADDRESS 0x01C20800

#define   IOC_MAGIC  'w'
#define   IOCTL_TEST_ON   _IO(IOC_MAGIC,0)
#define   IOCTL_TEST_OFF   _IO(IOC_MAGIC,1)

#define GPIO_LED   (1)

//gpio寄存器
static volatile unsigned int __iomem		*gpio_pb_cf;    	
static volatile unsigned int __iomem		*gpio_pb_data;
static volatile unsigned char __iomem		*gpioe_base_va;
static volatile unsigned char __iomem		*gpioe_res;


/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int ioremap_init(void)
{
    gpioe_res = request_mem_region(PIO_BASE_ADDRESS,0x300,"GPIOE_MEM");
	
	if(gpioe_res == NULL)
	{
		printk("request_mem_region PIO_BASE_ADDRESS,0x28 fail\n");		
	}
    else
	  printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " ======================request_mem_region  ok ======================\n");
	
    //IO映射
	gpioe_base_va = (unsigned char*)ioremap(PIO_BASE_ADDRESS,0x300);


	if(gpioe_base_va == NULL)
	{	
		printk("ioremap PIO_BASE_ADDRESS,0x28 fail\n");	
	}	
  	    else
	  printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " ======================ioremap  ok ======================\n");
	
    //GPIO寄存器地址映射
	gpio_pb_cf 		= (unsigned int*)(gpioe_base_va+0x24);
	gpio_pb_data 	=(unsigned int*)(gpioe_base_va+0x34);

}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int gpio_set_bit(int bit)
{
    *gpio_pb_data 		|=  (0x0000001<<bit);    
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int gpio_clear_bit(int bit)
{
    *gpio_pb_data 		&= ~ (0x0000001<<bit);    
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int  gpio_config(void)
{
	*gpio_pb_cf 		&= ~(0x000000f0);
	*gpio_pb_cf 		|= (0x00000010);
	printk(KERN_EMERG "gpio_pb_cf=%x\n" , *gpio_pb_cf );
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int gpio_init(void)
{
	//IO映射
    ioremap_init();
	//GPIO配置
    gpio_config();
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int gpio_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    gpio_init(); 
    printk(KERN_EMERG "======================gpio_open======================\n");
    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static ssize_t gpio_write(struct file *file, const char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    printk(KERN_EMERG "======================gpio_write======================\n");
    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static ssize_t gpio_read(struct file *file,  char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    printk(KERN_EMERG "======================gpio_read ======================\n"); 
    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int gpio_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk(KERN_EMERG "======================gpio_close ======================\n");
    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int gpio_ioctl( struct file *file,  unsigned int  cmd, unsigned long arg)
{
    switch(cmd)
    {
        case IOCTL_TEST_ON:
            gpio_set_bit(GPIO_LED);
            printk(KERN_EMERG "======================gpio_ioctl =======IOCTL_TEST_ON===\n");
        break;
        case IOCTL_TEST_OFF:                    
			gpio_clear_bit(GPIO_LED);
            printk(KERN_EMERG "======================gpio_ioctl =======IOCTL_TEST_OFF===\n");
        break;
        default:
        return -EINVAL;
    }
    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static struct file_operations gpio_fops =
{
	.owner  =   THIS_MODULE,
	.open   =   gpio_open,     
	.write  =   gpio_write,
	.read =  gpio_read,
	.unlocked_ioctl = gpio_ioctl,
	.release =  gpio_close,
};

static struct cdev gpio_dev;
static     dev_t devno;
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int __init gpio_driver_init(void)
{
    int ret;
    //申请设备号
   	ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, DEVICE_NAME);
	if(ret < 0) {
		pr_err("alloc_chrdev_region failed!");
		return ret;
	}
	printk("MAJOR is %d\n", MAJOR(devno));
	printk("MINOR is %d\n", MINOR(devno)); 
	//注册设备
	cdev_init(&gpio_dev,  &gpio_fops);
	ret = cdev_add(&gpio_dev ,  devno, 1);
	if (ret < 0) {
		pr_err("cdev_add failed!");
		return ret;
	}
    printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " ======================gpio_driver_init======================\n");
	return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static void __exit gpio_driver_exit(void)
{
    //注销设备
	cdev_del(&gpio_dev);
    //释放设备号
	unregister_chrdev_region(devno, 1);
    printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " ======================gpio_driver_exit======================\n");
}

module_init(gpio_driver_init);
module_exit(gpio_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
/***********************************************END*******************************************************/

driver_gpio.c驱动程序用到两个知识点：io内存操作和ioctrl函数使用。接下来我们重点学习一下这两个知识点。

3.1.io内存操作

驱动程序中需要控制芯片内部的一些片内外设（如片内ADC，GPIO），这时需要怎么办？

方法是操作外设的控制寄存器（如ADC控制寄存器，GPIO控制寄存器）。

在ARM体系下，内存和外设统一编址，无论是内存还是外设ARM处理器都是通过地址访问。
在linux中的程序使用虚拟地址，不能直接访问物理地址，必须将物理地址转换为虚拟地址，内核通过虚拟地址来访问系统物理地址。
io内存就是通过IO操纵控制寄存器等来实现对外设的控制，io内存操作分为以下3步：
1、申请资源（可选，有此步骤更安全）
2、IO映射
3、使用IO操作

IO内存操作的简易代码如下：

//声明指针变量
static volatile unsigned int __iomem		*gpio_pb_cf;    	
static volatile unsigned char __iomem		*gpioe_base_va;
static volatile unsigned char __iomem		*gpioe_res;
gpioe_res = request_mem_region(PIO_BASE_ADDRESS,0x300,"GPIOE_MEM");		
//IO映射
gpioe_base_va = (unsigned char*)ioremap(PIO_BASE_ADDRESS,0x300);
//GPIO寄存器地址映射
gpio_pb_cf 		= (unsigned int*)(gpioe_base_va+0x24);
//使用
*gpio_pb_cf 		|= (0x00000010);

本次实验的目的是控制V3S电路板上的LED，模拟星空的星星，一闪一闪亮晶晶！我们一起来看看如何通过GPIO控制LED。

查看V3S开发板原理图可知，LED有PB1这个GPIO引脚控制，因此我们只需要操作PB1即可实现LED亮灭的控制。
打开V3S芯片手册，查看GPIO控制部分资料。

GPIO的基地址为0x01C20800，PB为 port 0 ,由此可知PB的控制寄存器信息：
P0_CFG0寄存器的地址为0x01C20800+0x24 ，该寄存器的作用是配置IO口的状态。

如我们要将PB1设置为输出，则需要把P0_CFG0寄存器的bit4~bit6设置为001 。
P0_DAT寄存器的地址为0x01C20800+0x34 ，该寄存器的作用是控制IO口的电平。

P0_DAT的bit1的值对应PB1的电平状态，P0_DAT的bit1的值为1时PB1的电平状态为3.3V ,P0_DAT的bit1的值为0时PB1的电平状态为0V 。

因此我们只需对GPIO控制寄存器进行IO映射，然后操作P0_CFG0和P0_DAT这两个寄存器即可实现对LED的控制。

3.2.ioctl函数

ioctl 函数是驱动程序中设备控制接口函数，常情况下设备驱动会实现打开、关闭、读、写等功能，但是在一些需要细分特殊的情境下，需要扩展新功能，通常使用 ioctl() 函数来实现。
ioctl() 函数本质上就是一个switch函数，驱动程序中定义不同的cmd，每一个cmd实现一个特定的功能。

switch(cmd)
{
    case 0:
		//功能0
    break;
    case 1:                    
		//功能1
    break;
    case 2:                    
		//功能2
    break;    
    default:
    return -EINVAL;
}

ioctl 函数中的cmd需要特别注意，cmd命令码的设计是有一些规则的，因为我们必须要做到命令和设备是一一对应的，这样才不会将正确的命令发给错误的设备，或者是把错误的命令发给正确的设备，这些错误操作都会导致不可预料的事情发生。因此我们必须按照规则设计cmd命令码，cmd如果为1，是不是就很容易重复？如果cmd为0xff881314是不是就不容易重复了？
linux内核提供了一些宏专门用来生产cmd命令码，这几个宏的使用格式为：

_IO (魔数， 基数);
_IOR (魔数， 基数， 变量型)
_IOW (魔数， 基数， 变量型)
_IOWR (魔数， 基数，变量型 )

魔数：魔数范围为 0~255 。通常，用英文字符 “A” ~ “Z” 或者 “a” ~ “z” 来表示。
基数：基数用于区别各种命令，通常从 0开始递增。
变量型 ：变量型使用 arg 变量指定传送的数据大小。

本驱动程序中的cmd定义如下：

#define IOC_MAGIC ‘w’
#define IOCTL_TEST_ON _IO(IOC_MAGIC,0)
#define IOCTL_TEST_OFF _IO(IOC_MAGIC,1)

3.3.驱动程序编译准备

为了编译得到驱动ko,我们linux内核中建立一个如下目录：
easyboard/corelinux/v3ssdk/linux-3.4/drivers/char/work/driver_gpio
把driver_gpio.c程序拷贝到driver_gpio的文件夹中。

4.devmem调试

前文提到了驱动程序中的IO内存操作，ioctl函数操作，在设计过程中可能回遇到各种问题，导致控制操作失败。拿本次实验来说，大家在设计过程中可能遇到各种问题匪夷所思的问题导致LED控制失败，如LED电路出问题，手册中的地址标识错误。这些问题导致程序调试久久无法成功，遇到这种问题怎么办？

在这里我为大家介绍一种快速测试IO内存操作的方法：devmem

devmem指令是提供给驱动开发人员，让我们可以在应用层自由的读写寄存器值，用来检测驱动中对内存或者相关配置的正确性验证。

devmem的原理也比较简单，是应用程序通过mmap函数使用/dev/mem驱动中mmap方法，实现映射了设备的内存到用户空间，最终实现对物理地址的读写操作。evmem的使用方法：

指令格式: devmem2 { address } [ type [ data ] ]
address : 物理地址，需要访问的物理地址。
type :要访问的数据类型 : [b]yte, [h]alfword, [w]ord ，如果只是读取，省略即可
data :想要写入的数据，如果只是读取，省略即可

我们使用这个指令先在V3S开发板上控制一下LED，验证一下LED功能是否正确。

配置PB1为输出模式

devmem 0x01c20824 w 0x00000010

读寄存器数据

devmem 0x01c20824

设置PB1_DAT寄存器，PB1输出高电平LED灭。

devmem 0x01c20834 w 0x00000002

设置PB1_DAT寄存器，PB1输出高低平LED亮。

devmem 0x01c20834 w 0x00000000

5.编写makefile

为了编译得到我们需要的驱动，我们需要在linux-3.4内核代码中增加和修改Makefile文件。
首先我们在easyboard/corelinux/v3ssdk/linux-3.4/drivers/char目录下增加一个work的目录,我们修改easyboard/corelinux/v3ssdk/linux-3.4/drivers/char目录下Makefile文件，在Makefile文件内容中增加加入：

obj += work/

这句代码的意思是：在编译内核时也将子目录work/下的文件进行编译。

然后easyboard/corelinux/v3ssdk/linux-3.4/drivers/char/work目录下增加一个driver_gpio的目录,我们在easyboard/corelinux/v3ssdk/linux-3.4/drivers/char/work中创建一个Makefile文件，同时在Makefile文件中加入：

obj += driver_gpio/

这句代码的意思是：在编译内核时也将子目录driver_gpio/下的文件进行编译。

我们在easyboard/corelinux/v3ssdk/linux-3.4/drivers/char/work/driver_gpio中创建一个Makefile文件，同时在Makefile文件中加入：

obj-m = driver_gpio.o

这句代码的意思是：将我们的driver_gpio.c文件编译得到一个driver_gpio.ko的驱动文件。

我们在easyboard/corelinux/v3ssdk/linux-3.4/drivers/char/work/driver_gpio中创建一个Makefile文件，同时在Makefile文件中加入：

obj-m = driver_gpio.o

这句代码的意思是：将我们的driver_gpio.c文件编译得到一个driver_gpio.ko的驱动文件。

准备好driver_gpio.c文件和Makefile文件后，我们开始编译内核。

编译完成后，我们得到了driver_gpio.ko的驱动文件

6.编写应用程序

编写一个gpio_app.c的应用程序，程序源码如下：

/**
*********************************************************************************************************
*                                        		gpio_app
*                                      (c) Copyright 2021-2031
*                                         All Rights Reserved
*
* @File    : 
* @By      : liwei
* @Version : V0.01
* 
*********************************************************************************************************
**/

/**********************************************************************************************************
Includes 
**********************************************************************************************************/
#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>



#define   IOC_MAGIC  'w'
#define   IOCTL_TEST_ON   _IO(IOC_MAGIC,0)
#define   IOCTL_TEST_OFF   _IO(IOC_MAGIC,1)

/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
int main(int arvc, char *argv[])
{
	int fd;
	int value = 0;
	//打开驱动 
	fd = open("/dev/driver_gpio",O_RDWR);
	printf("==========led test=============\n");
	while(1)
	{
		//执行IOCTL操作
		ioctl(fd,IOCTL_TEST_ON);
		sleep(1);
		ioctl(fd,IOCTL_TEST_OFF);
		sleep(1);		
		printf("==========run==================\n");
		sleep(1);	
	}
	return 0;

}
/***********************************************END*******************************************************/

我们将应用程序源码放在虚拟机的任意一个目录中如：/home/easyboard/work/demo
然后我们在终端中进入/home/easyboard/work/demo目录，使用执行如下gcc编译指令：

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc gpio_app.c -o gpio_app

于是我们得到一个可执行文件

7.安装驱动及运行应用程序

目前我们得到了driver_gpio.ko和gpio_app两个文件，我们使用SecureCRTPortable工具将这两个文件传输到V3开发板中。

执行安装驱动指令：

insmod driver_gpio.ko

查看驱动信息

cat /proc/devices

执行创建文件节点指令：

mknod /dev/driver_gpio c 248 0

执行查看驱动指令（可选）：

ls /dev

执行修改gpio_app文件权限指令：

chmod 777 gpio_app

执行运行gpio_app指令：

./gpio_app

本次实验我们实现控制LED!
模拟星空的星星!
一闪一闪亮晶晶！
效果图如下：

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作者：李巍
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