树莓派linux led字符设备驱动

￡神魔★判官ぃ 2023-01-21 13:20 17阅读 0赞

**目录**

1、开发环境搭建

1.1 确定树莓派linux版本

1.2 获取内核源码，交叉编译工具链和固件

1.3 编译前的准备

1.4 开始编译

2、参考树莓派博通芯片数据手册

2.1、查看树莓派 BCM2837 ARM 手册

2.2、查看树莓派GPIO地址映射基地址

3、树莓派GPIO寄存器操作

驱动代码：

测试代码led\_app.c：

编译测试代码 :

--------------------

# 1、开发环境搭建 #

开发环境系统ubuntu 16（64位），在PC上安装虚拟机。

### 1.1 确定树莓派linux版本 ###

raspi@raspberrypi:~ $ cat /proc/version
    Linux version 4.19.75-v7+ (dom@buildbot) (gcc version 4.9.3 (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-88-g8460611)) #1270 SMP Tue Sep 24 18:45:11 BST 2019

如上图可知，我的Raspber Pi系统为Linux raspberrypi **4.19.75-v7+** 版本。这一点很重要，将决定需要编译的内核版本。

### 1.2 **获取内核源码，交叉编译工具链和固件** ###

树莓派官方将树莓派相关的大部分资源都放在了GitHub上，所以只需再GitHub的相应板块找到即可，链接地址为：[https://github.com/raspberrypi][https_github.com_raspberrypi]

新建路径 ~/Raspberry/，下载

（1）[Linux][]：树莓派内核源码：[https://github.com/raspberrypi/linux/tree/rpi-4.19.y][https_github.com_raspberrypi_linux_tree_rpi-4.19.y]，直接下载zip，然后上传到ubuntu系统或者执行命令（**git clone --depth=1 --branch rpi-4.19.y https://github.com/raspberrypi/linux**）下载分支

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMTc2MTE2_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**注意**：要下载系统对应的源码，我现在系统是4.19.75-v7+，所以下载4.19.y。

（2）tools：树莓派的交叉编译工具，,链接地址：[https://github.com/raspberrypi/tools/tree/master/arm-bcm2708][https_github.com_raspberrypi_tools_tree_master_arm-bcm2708] 如下图

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5ncml5dWU_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

如上图可见tools的路径，找到相应交叉编译工具链，可知树莓派官方提供了3种交叉编译工具链(最下方的是同一个工具链，只是针对32bit系统和64bit系统做了区分),先将其克隆下来。

命令： git clone https://github.com/raspberrypi/tools

root@ubuntu:~/Raspberry/tools-master/arm-bcm2708# ls
    arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi
    arm-bcm2708-linux-gnueabi
    arm-rpi-4.9.3-linux-gnueabihf
    gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian
    gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64

此目录下有5个目录，是不同版本的交叉编译工具。其中arm-rpi-4.9.3-linux-gnueabihf和gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64是64位机器用的。每一个交叉编译工具的目录下都有bin目录进入，执行./arm-linux-gnueabihf-gcc -v可查看gcc版本。这里我使用**arm-rpi-4.9.3-linux-gnueabihf**，因为目前板子上的gcc版本是**4.9.3**

**1.3.获取当前树莓派系统的配置文件**

这里很有必要说明是，在raspberrypi系统的3.x版本以前，树莓派系统默认存在/proc/config.gz文件，但是更新到4.x版本之后，/proc/config.gz文件默认不存在了，所以我们需要先获取到这个文件。执行命令：

sudo modprobe configs

执行以上命令之后，会在/proc/目录下生成config.gz文件。然后将此文件从树莓派系统内拷贝到我们的PC平台(有很多种方法，比如U盘，NFS系统文件共享，TCP，samba等等)。然后在需要编译的内核的顶层目录下执行命令：

zcat config.gz > .config

目的是生成.config配置文件

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5ncml5dWU_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

### **1.3 编译前的准备** ###

(1)确定树莓派系统内的编译器版本。

使用命令 cat /proc/version查询树莓派系统的编译器的 版本号。如下图：

raspi@raspberrypi:~ $ cat /proc/version
    Linux version 4.19.75-v7+ (dom@buildbot) (gcc version 4.9.3 (crosstool-NG crosstool-ng-1.22.0-88-g8460611)) #1270 SMP Tue Sep 24 18:45:11 BST 2019

如上图所知，gcc编译器的版本号为4.9.3版本（**如果以下交叉编译工具的版本不是4.9.3，需要改成4.9.3版本）**，并且更新时间为 2019 年 9 月 24 日。

(2)选择编译工具链的版本，因为下载到的交叉编译工具链有三个版本，所以应该选择其中一个，但是考虑到版本的匹配问题(如果编译器的版本和原有系统的版本不一样的话，有可能会出现一些莫名奇妙的问题，特别是在开发驱动时)。下面查看各个编译器的版本。

arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi编译器：切换到tools/arm-bcm2708/arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi/bin/目录下，

使用命令：./arm-bcm2708hardfp-linux-gnueabi-gcc –v

![20190314163145866.png][]

如上图可见此编译器为4.7.1版本，并且也能看到更新的时间。但是版本比现有系统的版本要低了。

arm-bcm2708-linux-gnueabi编译器：切换到tools/arm-bcm2708/arm-bcm2708-linux-gnueabi/bin/目录下，

使用命令：./arm-bcm2708-linux-gnueabi-gcc –v

![20190314163047904.png][]

如上图可见，此编译器也为4.7.1版本，只是更新时间不同。

gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian编译器：切换到tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian/bin/目录下，

使用命令：./arm-linux-gnueabihf-gcc –v

![20190314162917505.png][]

如上图可见，此编译其为4.8.3版本，并且更新时间为20140106.并且适用于32bitPC平台。

再看gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64 编译器：切换到tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/目录，使用命令：./arm-linux-gnueabihf-gcc –v

![20210517145212723.png][]

如上图，可知此版本的编译器和莓派系统的编译器版本是最相近的一个版本，所以理当使用它进行编译。不过呢这是64bit PC平台的编译器，如果是32为平台的电脑，使用gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian编译器即可。

(3)安装编译工具链

加入环境变量

sudo gedit /etc/profile

编辑内容：

#末尾添加：
    export PATH=$PATH:/home/liang/raspiberry/tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin

#source 生效
    source /etc/profile

测试交叉编译工具测试环境变量是否配置好：

arm-linux-gnueabihf-gcc -v

将工具链添加到Makefile中。

切换到所编译内核的顶层目录，并打开目录下的Makefile文件，修改如下图：本例为： vi Makefile +313

![20190314165909872.png][]

直接添加了绝对路径的交叉编译工具链

### **1.4 开始编译** ###

**安装依赖**

sudo apt install git bc bison flex libssl-dev make libc6-dev libncurses5-dev

cd 至 linux 源码文件夹下，

KERNEL=kernel7
    make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2709_defconfig
    make ARCH=arm CROSS_COMPILE=/home/liang/raspiberry/tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/arm-linux-gnueabihf- -j8 zImage modules dtbs

将SD卡插入读卡器，插入电脑，在虚拟机读取SD卡。在/media/liang/ 目录下会出现两个目录 boot/ rootfs/

执行命令：

#拷贝镜像、设备树等
    sudo scripts/mkknlimg arch/arm/boot/zImage /media/liang/boot/$KERNEL.img
    sudo cp arch/arm/boot/dts/*.dtb /media/liang/boot/
    sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/*.dtb* /media/liang/boot/overlays/
    sudo cp arch/arm/boot/dts/overlays/README /media/liang/boot/overlays/
    #安装模块
    sudo make ARCH=arm CROSS_COMPILE=/home/liang/raspiberry/tools/arm-bcm2708/gcc-linaro-arm-linux-gnueabihf-raspbian-x64/bin/arm-linux-gnueabihf- INSTALL_MOD_PATH=/media/liang/rootfs modules_install

**将SD卡插回树莓派，重新启动树莓派，查看系统版本变成了 4.19.127-v7+ ,则成功更新了内核，后面就可以使用源码来编写树莓派驱动了。**

# 2、参考树莓派博通芯片数据手册 #

### **2.1、查看树莓派 BCM2837 ARM 手册** ###

**BCM2837ARM Peripherals [数据手册][Link 1]（[chrome-extension://cdonnmffkdaoajfknoeeecmchibpmkmg/assets/pdf/web/viewer.html?file=https%3A%2F%2Fcs140e.sergio.bz%2Fdocs%2FBCM2837-ARM-Peripherals.pdf][Link 1]）**

在 **page 6** 中可得到外设物理地址为 **0x3F000000**到 **0x3FFFFFFF ，**外设物理地址** 0x3Fnnnnnn **映射到内存地址 **0x7Ennnnnn，**GPIO的偏移量 **0x2000000 **,所以GPIO的物理地址应该是从 **0x3f200000** （查看**Page 90**）开始的

**note：**特别注意，BCM2708 和BCM2709 IO起始地址不同，BCM2708是0x20000000,BCM2709是0x3f000000,这是造成大部分人驱动出现“段错误”的原因。树莓派3B的CPU为BCM2709。

### **2.2、查看树莓派GPIO地址映射基地址** ###

方法一：

cat /proc/iomem

结果  3f200000-3f2000b3 : /soc/gpio@7e200000。3f200000为基地址，有的系统却显示 00000000-00000000 : /soc/gpio@7e200000

方法二：

root@raspberrypi:/home/pi/Desktop# cd /proc/device-tree/soc/
    root@raspberrypi:/proc/device-tree/soc# hexdump  -C ranges
    00000000  7e 00 00 00 3f 00 00 00  01 00 00 00 40 00 00 00  |~...?.......@...|
    00000010  40 00 00 00 00 00 10 00                           |@.......|
    00000018

# 3、树莓派GPIO寄存器操作 #

**Page 90 **罗列出 GPIO的各种寄存器地址和功能描述。

本节关心 GPIO功能选择寄存器**（GPFSELn）**：FSEL \{n\}字段确定第n个GPIO引脚的功能， 所有未使用的复用功能线接地并且输出“ 0”。复位后 所有引脚为正常的GPIO输入。从**Page 91**可看出**一个 GPFSELn 寄存器控制 10个GPIO口**，并且每 **3bit** 控制**一个GPIO口。本文配置为输出即为 001。**

GPIO输出**置位**寄存器 **(GPSETn )**：SET \{n\}字段定义要设置的相应GPIO引脚，向该字段写入“ 0”无效。 如果GPIO引脚被用作输入（默认情况下），则SET \{n\}字段中的值将被忽略。 但是，如果随后将引脚定义为输出，则将根据最后的置位/清除操作来设置该位。 分开设置和清除功能，无需进行读-修改-写操作。**Page 95：GPSET0 控制 GPIO0~31，GPSET1 控制 GPIO32~53（向某位写 1 置位）**

GPIO输出清零寄存器**（GPCLRn）：**CLR \{n\}字段定义要清除的相应GPIO引脚，向该字段写入“ 0”无效。 如果GPIO引脚被用作输入（默认情况下），则CLR \{n\}字段中的值将被忽略。 但是，如果随后将引脚定义为输出，则将根据最后的置位/清除操作来设置该位。 分开设置和清除功能，消除了对读取-修改-写入操作的需求。**Page 95：GPCLR0 控制 GPIO0~31，GPCLR1 控制 GPIO32~53（向某位写 1 清零）**

**Page 102** 说明了 **54个GPIO** 除基本的输入输出功能外另外的六种复用功能。

![树莓派40Pin 引脚对照表| 树莓派实验室][40Pin _]

本文使用到树莓派的 **GPIO26** 即为 **BCM编码的26**脚，功能名:**GPIO.25**

# 驱动代码： #

#include <linux/types.h>
    #include <linux/kernel.h>
    #include <linux/delay.h>
    #include <linux/ide.h>
    #include <linux/init.h>
    #include <linux/module.h>
    #include <linux/errno.h>
    #include <linux/gpio.h>
    #include <asm/mach/map.h>
    #include <asm/uaccess.h>
    #include <asm/io.h>
    #include <linux/cdev.h>
    #include <linux/device.h>
    
    #define LED_CNT			1		  		/* 设备号个数 */
    #define LED_NAME		"led_chrdev" 	/* 设备名字 */
    #define LEDOFF 			0				/* 关灯 */
    #define LEDON 			1				/* 开灯 */
    
    #define LED_PIN					    26 //GPIO26 
    
      /* 寄存器物理地址 */	
    
    #define BCM2837_GPFSEL2_BASE          (0X3F200008)  //GPIO的GPFSEL2寄存器的 bits 20-18 位控制 GPIO_26  
    #define BCM2837_GPSET0_BASE           (0X3F20001C)  //GPIO的GPSET0的 bit26 控制 GPIO_26 置位
    #define BCM2837_GPCLR0_BASE           (0X3F200028)  //GPIO的GPCLR0的 bit25 控制 GPIO_26 清零
    
    /* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
    static void __iomem *BCM2837_GPFSEL2;
    static void __iomem *BCM2837_GPSET0;
    static void __iomem *BCM2837_GPCLR0;
    
    void led_switch(u8 sta)
    {
    	if(sta == LEDON) {
    		writel(1<<(LED_PIN), BCM2837_GPCLR0);
    	}else if(sta == LEDOFF) {
    		writel(1<<(LED_PIN), BCM2837_GPSET0);
    	}	
    }
    /* newchrled设备结构体 */
    struct led_chrdev_dev{
    	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
    	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
    	struct class *class;		/* 类 		*/
    	struct device *device;	/* 设备 	 */
    	int major;				/* 主设备号	  */
    	int minor;				/* 次设备号   */
    };
    
    struct led_chrdev_dev led_chrdev; /* led设备 */
    
    static int led_chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
    {
    	filp->private_data = &led_chrdev; /* 设置私有数据 */
    	return 0;
    }
    
    static ssize_t led_chrdev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
    {
    	int retvalue;
    	unsigned char databuf[1];
    	unsigned char ledstat;
    	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
    	if(retvalue < 0) {
    		printk("kernel write failed!\r\n");
    		return -EFAULT;
    	}
    	ledstat = databuf[0];		/* 获取状态值 */
    	if(ledstat == LEDON) {	
    		led_switch(LEDON);		/* 打开LED灯 */
    	} else if(ledstat == LEDOFF) {
    		led_switch(LEDOFF);	/* 关闭LED灯 */
    	}
    	return 0;
    }
    
    static struct file_operations led_chrdev_fops = {
    	.owner = THIS_MODULE,
    	.open = led_chrdev_open,
    	.write = led_chrdev_write,
    };
    
    static int __init led_chrdev_init(void)
    {
    	unsigned long val;
    	/* 1、寄存器地址映射 */
    	BCM2837_GPFSEL2 = ioremap(BCM2837_GPFSEL2_BASE,4);  
    	BCM2837_GPSET0 = ioremap(BCM2837_GPSET0_BASE,4); 
    	BCM2837_GPCLR0 = ioremap(BCM2837_GPCLR0_BASE,4); 
    	printk("init led_chrdev\n");
    	printk("BCM2837_GPFSEL2_BASE:address: 0x%lx ; BCM2837_GPFSEL2 address: 0x%lx \n", (unsigned long)BCM2837_GPFSEL2_BASE, (unsigned long)(BCM2837_GPFSEL2)); 
    	printk("BCM2837_GPSET0_BASE:address : 0x%lx ; BCM2837_GPSET0  address: 0x%lx \n", (unsigned long)BCM2837_GPSET0_BASE, (unsigned long)(BCM2837_GPSET0)); 
    	printk("BCM2837_GPCLR0_BASE:address : 0x%lx ; BCM2837_GPCLR0  address: 0x%lx \n", (unsigned long)BCM2837_GPCLR0_BASE, (unsigned long)(BCM2837_GPCLR0)); 
    
    	/*2、初始化引脚功能，同时输出高电平*/
    	val = readl(BCM2837_GPFSEL2);
    	val = val | (1<<((LED_PIN % 10) * 3));
    	writel(val, BCM2837_GPFSEL2);
    	writel(1<<(LED_PIN), BCM2837_GPSET0);
    	/* 注册字符设备驱动 */
    	/* 1、创建设备号 */
    	if (led_chrdev.major) {		/*  定义了设备号 */
    		led_chrdev.devid = MKDEV(led_chrdev.major, 0);
    		register_chrdev_region(led_chrdev.devid, LED_CNT, LED_NAME);
    	} else {						/* 没有定义设备号 */
    		alloc_chrdev_region(&led_chrdev.devid, 0, LED_CNT, LED_NAME);	/* 申请设备号 */
    		led_chrdev.major = MAJOR(led_chrdev.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
    		led_chrdev.minor = MINOR(led_chrdev.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
    	}
    	printk("newcheled major=%d,minor=%d\r\n",led_chrdev.major, led_chrdev.minor);	
    	/* 2、初始化cdev */
    	led_chrdev.cdev.owner = THIS_MODULE;
    	cdev_init(&led_chrdev.cdev, &led_chrdev_fops);
    
    	/* 3、添加一个cdev */
    	cdev_add(&led_chrdev.cdev, led_chrdev.devid, LED_CNT);
    	/* 4、创建类 */
    	led_chrdev.class = class_create(THIS_MODULE, LED_NAME);
    	if (IS_ERR(led_chrdev.class)) {
    		return PTR_ERR(led_chrdev.class);
    	}
    	/* 5、创建设备 */
    	led_chrdev.device = device_create(led_chrdev.class, NULL, led_chrdev.devid, NULL, LED_NAME);
    	if (IS_ERR(led_chrdev.device)) {
    		return PTR_ERR(led_chrdev.device);
    	}
    	return 0;
    }
    
    static void __exit led_chrdev_exit(void)
    {
    	/* 取消映射 */
    	iounmap(BCM2837_GPFSEL2);  
    	iounmap(BCM2837_GPSET0);  
    	iounmap(BCM2837_GPCLR0);  
    
    	/* 注销字符设备驱动 */
    	cdev_del(&led_chrdev.cdev);/*  删除cdev */
    	unregister_chrdev_region(led_chrdev.devid, LED_CNT); /* 注销设备号 */
    	device_destroy(led_chrdev.class, led_chrdev.devid);
    	class_destroy(led_chrdev.class);
    	printk("exit led_chrdev\n");
    }
    
    module_init(led_chrdev_init);
    module_exit(led_chrdev_exit);
    
    MODULE_LICENSE("GPL");
    MODULE_AUTHOR("liang");

###  测试代码led\_app.c： ###

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <string.h>
    
    
    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;
    }

### 编译测试代码 : ###

arm-linux-gnueabihf-gcc led_app.c -o led_app

在虚拟机分别编译，将模块拷贝至树莓派 **/lib/modules/4.19.127-v7+/ **文件夹、测试程序拷贝至树莓派 **任意 **文件夹，

sudo depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
    sudo modprobe led_chrdev//加载驱动
    dmesg //查看模块打印信息

![20210518101728440.png][]

#打开LED
    sudo ./led_app /dev/led_chrdev 0
    #关闭LED
    sudo ./led_app /dev/led_chrdev 1

[https_github.com_raspberrypi]: https://github.com/raspberrypi
[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux
[https_github.com_raspberrypi_linux_tree_rpi-4.19.y]: https://github.com/raspberrypi/linux/tree/rpi-4.19.y
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzMTc2MTE2_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221020/99bda3d328304bd5ab3f637775c906fd.png
[https_github.com_raspberrypi_tools_tree_master_arm-bcm2708]: https://github.com/raspberrypi/tools/tree/master/arm-bcm2708
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5ncml5dWU_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221020/b1b0d5a31a934528950cb6fb231bda98.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5ncml5dWU_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221020/73a1bae711f74d789b05042fee35f034.png
[20190314163145866.png]: /images/20221020/76c61576aa5c491583f82676496d21a2.png
[20190314163047904.png]: /images/20221020/42778bb2bb4442969ba3e5e052907215.png
[20190314162917505.png]: /images/20221020/25dd0fb512824c9dbd53b053368c6496.png
[20210517145212723.png]: /images/20221020/3763b23d822c4f27868f69cd9203f65f.png
[20190314165909872.png]: /images/20221020/d948d607fc564b779fd3390f52132bb2.png
[Link 1]: http://chrome-extension//cdonnmffkdaoajfknoeeecmchibpmkmg/assets/pdf/web/viewer.html?file=https%3A%2F%2Fcs140e.sergio.bz%2Fdocs%2FBCM2837-ARM-Peripherals.pdf
[40Pin _]: /images/20221020/62163e14997148a6b3f2417daa0706bd.png
[20210518101728440.png]: /images/20221020/3893f6c6241f4409b78904293686eddb.png