【正点原子】Alpha-I.MX开发板操作系统移植流程

以下内容是自己在学习正点原子Alpha-I.MX开发板基于linux操作系统移植时做的笔记，
包括环境搭建，外接传感器实验等内容。
记于2022.11.24  疫情期间
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1. I.MX开发板移植流程

整个过程总结如下：

• uboot移植。根据官方uboot，对你自己的开发板做适配，更改uboot代码，编译 为 .bin文件，然后利用imxDownload 烧写 .imx文件
• **linux 内核移植。**在linux内核系统中添加自己的开发板 imx6ull 文件夹，编译成 zImage 镜像文件
• **根文件系统构建。**制造根文件系统，生成.dtb文件

整个过程可以注意以下几点：

1. 将整个系统烧写进SD卡或者EMMC，然后通过SD卡或者EMMC方式启动内核测试。
2. 开发过程中，为防止多次插拔SD卡烧写内核和设备树，可以先烧写uboot，然后通过uboot的tftp和nfs功能，启动在Ubuntu环境下的zImage 和 .dtb测试
3. 可以使用韦东山老师提供的 100ask_imx6ull烧写工具v4 烧写
4. uboot 启动 启动在Ubuntu环境下的zImage 和 .dtb 是将2者加载到内存中运行，可以不烧写进去

1.1 开发板资料

• 手头的开发板：I.MX6U-ALPHA 开发板，以NXP的 IMX6UL/ULL为核心的Cortex-A7开发平台（对应CPU架构是ArmV7）

  参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/95501267

• 韦东山教程中的开发板：100ASK_IMX6ULL_PRO 开发板，基于 NXP Cortex-A7 IMX6ULL处理器

  参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/302851297

1.2 代码的编译和烧写

利用 imxdownload 软件将编译好的 .bin文件，烧写到SD卡中

1、将 imxdownload 拷贝到工程根目录下

2、给予 imxdownload 可执行权限 （chmod 777 imxdownload ，ls命令之后，有权限的文件是绿色，无权限的文件是白色）

3、往SD卡中烧写文件（注意：要准备一张无数据的SD卡，烧写过程中会格式化SD卡）

​ ./imxdownload led.bin /dev/sdd /dev/sdd 是你SD卡在Ubuntu中的挂载目录，这条指令是像SD卡中烧写 led.bin 文件，烧写完成后会在当前目录下生成一个load.imx文件，这就是根据NXP官方启动方式 在 led.bin 文件前面添加了一些数据头以后生成的，最终烧写到SD卡中的就是 load.imx 文件而非 led.bin。

知识点注意：

Ubuntu 下所有的设备文件都在目录“/dev”里面 ，其中存储设备都是以“/dev/sd”开头的 。插上SD卡后，也会挂载到/dev目录下。

首先，查看不插SD卡的存储设备：输入指令： ls /dev/sd* 回复： /dev/sda /dev/sda1 注意：这两个是系统磁盘

然后，插入SD卡以后，再查看存储设备，回复： /dev/sda /dev/sda1 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdc1 /dev/sdc2

哪个分区是自己的SD卡呢？将读卡器连接到Windows下，显示有三个分区，分别是Boot U盘G U盘 J ，对应在虚拟机下，/dev/sdc 是我的SD卡。

1.3 Ubuntu环境的搭建和配置

1. 下载 VMware和 Ubuntu 的镜像文件，安装虚拟机。

严格按照参考文档，（注意：虚拟机的磁盘空间至少大于50G，最好预留100G的空间），这是官方已经做好的开发环境

2. 配置网络环境，能用起 TFTP 和 NFS。

• Ubuntu 开发板 Windows网络环境配置
• TFTP环境配置
• NFS环境配置

我用的是电脑wifi上网，开发板用网线和电脑直连：

1. VMnet0 装虚拟机时，配置的网络是桥接模式，这个需要手动分配IP，用于开发板和Ubuntu通信（适配器1）

2. VMnet8 给虚拟机添加一个网络适配器，配置为NAT模式，供虚拟机上网，这个已经自动分配好IP了（适配器2）

3. VMnet1 是虚拟机的仅主机模式

要求：在虚拟机中设置 VMnet0 和 Windows下的以太网口在同一个网段下，在开发板中设置开发板的ip和VMnet0在同一网段下。因此，开发板、虚拟机的VMnet0 和 Windows的以太网口 三者都在同一网段下，实现两两互ping

配置完之后的各自的IP地址如下：其中开发板、虚拟机以及Windows的以太网口的IP为手动设置，让他们三个在同一个网段上。

其中，在Ubuntu中

VMnet0：192.168.10.100 ——Windows中的 以太网口，手动设置为 ：192.168.10.200

VMnet1：192.168.204.0 ——Windows中的 VMnet1：192.168.204.0

VMnet8：192.168.74.0 ——Windows中的 VMnet8：192.168.74.1

测试结果：

以下TFTP和NFS在从SD卡启动和从EMMC启动的情况下均测试成功。

TFTP，简单文件传输协议， 客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议 ,TFTP 搭建之后测试：

Ubuntu中的路径：/home/alientek/linux/tftp ，开发板可以将Ubuntu中的文件下载下来

NFS，网络文件传输，实现用户访问网络上别处的文件，像访问自己的计算机文件一样 ，NFS搭建好测试结果如下：

Ubuntu中的路径： /home/alientek/linux/nfs

1.4 系统的烧写

参考资料：【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.6 第三十九章————系统烧写

1.4.1 OTG 模式烧录

1.4.1.1 USB OTG方式

USB OTG 方式固化到 Emmc

工具：MfgTool

连线：USB OTG （板载上边那个口是OTG，下边是TTL），拨码到 0100_0000 ，烧写时需要用电源线供电，注意，使用OTG烧写时，iMX6ULL开发板不能插入SD卡。

烧写原理：MfgTool 其实是先通过 USB OTG 先将 uboot、 kernel 和.dtb(设备树)这是三个文件下载到开发板的 DDR 中， 注意不需要下载 rootfs，相当于直接在开发板的 DDR上启动 Linux 系统，等 Linux 系统启动以后再向 EMMC 中烧写完整的系统，包括 uboot、 linux kernel、 .dtb(设备树)和 rootfs，

启动方式：EMMC 启动设置： 1010_0110

测试：烧写正点原子以及NXP官方的都失败，换胡胡的电脑烧写也失败

测试烧写失败，卡在这里，参考 论坛官方的 方法也未解决 关于Linux使用 mfgtool 上位机固化系统（OTG 方式）的问题-OpenEdv-开源电子网

1.4.1.2 采用脚本固化的方式

脚本方式固化到 Emmc

脚本方式固化到 SD卡 ，然后从SD卡启动

参考手册，【用户快速体验】，使用脚本固化系统部分，完成SD卡的固化。

测试从SD卡可启动，从EMMC中野可启动，注意串口连接上不打印消息，注意开发板底板上串口跳线帽的选择

1.5 Imax自带内核移植

U-Boot、Linux kernel 和 rootfs 这三者一起构成了一个可以正常使用、功能完善的 Linux 系统。

1.5.1 交叉编译工具安装

用户快速体验手册： 4.1 安装通用ARM交叉编译工具链 4.2 安装Poky交叉编译工具链

安装后的版本：arm-linux-gnueabihf-gcc --version 4.9.4 arm-poky-linux-gnueabi-gcc --version 5.3.0

1.5.2 U-boot和 linux内核编译

• U-Boot编译

编译uboot之后，生成相关文件。.imx文件 是已经添加头部信息的U-boot 镜像，可直接使用 dd 指令烧写到 TF 卡和开发板上的 eMMC 储存设备。.bin文件 是未添加状信息的 U-boot镜像，需要使用【正点原子】 I.MX6U 嵌入式 Linux 驱动开发指南里所说的 imxdownload 工具烧写

• linux内核编译

下载某个版本的linux内核 → 将下载的内核移植到自己的CPU架构上 → 再移植到自己所用的开发板上

编译后，在 arch/arm/boot 目录下生成 Linux 内核 zImage镜像文件，在 arch/arm/boot/dts 下生成很多.dtb 设备树文件 ，还有 modules.tar.bz2（内核模块）

1.5.3 文件系统附录

1.5.4 通过uboot从网络启动linux系统

uboot编译烧写完之后，使用 tftp 从 Ubuntu 中下载 zImage 和设备树文件 。

将RT-Thread 内核移植到其他芯片上去，就要在TH-Thread内核中根据要移植的芯片做硬件适配修改

（1）开发板重启，进入uboot环境

开发板重启，3s之内快速按回车键，便可以进入uboot；若不按键，则直接会启动内核。

（2）给uboot设置环境变量

有两种方式，需要哪种就用哪种：ip地址需要根据实际环境更改（以下从种方法设置一次环境变量即可）

• 使用TFTP 挂载内核和设备树

确保Ubuntu和开发板网络环境互通的前提下，通过下载tftp文件夹下的 设备树 和 系统镜像文件，启动内核

setenv ipaddr 192.168.10.50
setenv ethaddr 00:04:9f:04:d2:35
setenv gatewayip 192.168.10.1
setenv netmask 255.255.255.0
setenv serverip 192.168.10.100
saveenv


setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw'
setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage; tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz 80800000 - 83000000'
saveenv
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• 使用NFS挂载文件系统

setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage; tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb; bootz 80800000 - 83000000'
setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs \
nfsroot=192.168.10.100:/home/alientek/linux/nfs/rootfs,proto=tcp rw \
ip=192.168.10.50:192.168.10.100:192.168.10.1:255.255.255.0::eth0:off'
saveenv
boot
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格式为：

只烧写uboot———将正点原子官方配置好的uboot烧写到SD卡中

首先确定 /dev/sdc 是我的SD卡设备：ls /dev/sd* /dev/sda /dev/sda1 /dev/sdb /dev/sdc /dev/sdc1 /dev/sdc2

然后将上边小节编译好的uboot烧写到SD卡中（一张格式化了的空SD卡），然后设置SD卡启动

烧写成功后从串口看uboot启动内核的信息，提示没有镜像文件。并且uboot启动 的过程中还报了一些错误，（这些错误是没有设置uboot的相关环境变量参数）

我们**检测在uboot环境下TFTP和NFS服务没有问题的前提下，利用Uboot 启动虚拟机中的linux内核**，烧写好u-boot后，先配置u-boot的参数：

• 配置网络参数：

确保Ubuntu 主机和开发板的 IP地址在同一个网段内， 开发板IP设置为 192.168.10.50，Ubuntu的ip为192.168.10.100，都在192.168.10.1这个网关下，设置后确保开发板的uboot可以ping通虚拟机，注意：开发板uboot可以ping虚拟机，但是虚拟机不能ping开发板的Uboot，因为uboot中没有处理外部ping的功能

setenv ipaddr 192.168.10.50
setenv ethaddr b8:ae:1d:01:00:00
setenv gatewayip 192.168.10.1
setenv netmask 255.255.255.0
setenv serverip 192.168.10.100
saveenv
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设置好网络参数之后，首先确保开发板能ping通Ubuntu，然后用nfs指令访问Ubuntu中的zImage镜像文件。

nfs 808000000 192.168.10.100:home/alientek/linux/nfs/zImage

表示：uboot通过nfs找到Ubuntu的ip地址和路径，下载zImage 文件保存到地址为0x808000000 处

先在Ubuntu环境下，编译好linux内核

编译过程参考上边小节，最终生成zImage文件

设置从SD卡中启动uboot，通过tftp和nfs，启动虚拟机中的内核

将zImage下载到DRAM的0X80800000地址处，然后将设备树下载到 DRAM 中的 0X83000000 地址处，最后之后命令 bootz 启动，测试结果内核启动成功

tftp 80800000 zImage
tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb
bootz 80800000 - 83000000  
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2. uboot 部分

以下内容是基于正点原子的 Alpha I.MX 开发板的一些关于uboot内容的学习笔记。

2.1 uboot 简介

uboot是BootLoader的一种，作用是开机时先初始化DDR等外设，然后将Linux内核从flash(NAND，NOR FLASH， SD， MMC 等)拷贝到 DDR 中，最后启动 Linux 内核。 现在的 uboot 已经支持液晶屏、网络、 USB 等高级功能。

关系：uboot源码——芯片厂商（如NXP维护一个源码版本，支持自产的芯片的uboot启动）——–开发板uboot（如正点原子，修改自芯片厂商维护的uboot，支持自产的开发板启动，因为半导体厂商的uboot针对的是芯片，对应某个开发板，开发板的某些外设驱动可能不支持）

2.2 uboot 编译

2.2.2 编译命令行解释

解释：每条指令中间的两句中，arm 表示CPU架构，arm-linux-gnueabihf- 表示指令使用的交叉编译器，其中 make distclean表示第一次编译时清除一下工程，make mx6ull_14x14_ddr512_emmc_defconfig 表示用于配置uboot的配置文件名称，make -j4表示用4个核编译uboot。V=1 用于设置编译过程的信息输出级别；

#!/bin/sh    //新建脚本时使用
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-  distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-  mx6ull_14x14_ddr512_emmc_defconfig
make V=1 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-  -j4
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为防止每次编译 uboot 都要输入一长串命令 ，可以将以上命令写到一个脚本中，如 mx6ull_alientek_emmc.sh ，内容为以上命令，为规范 .sh脚本，并在首行添加 #!/bin/sh ，执行脚本命令 ./mx6ull_alientek_emmc.sh 编译后，生成 u-boot.bin 文件

说明：uboot 是 bootloader 的一种，可以用来引导Linux，但是 uboot 除了引导 Linux 以外还可以引导其它的系统 。而且 uboot 还支持其它的架构和外设， 比如 USB、 网络、 SD 卡等。这些都是可以配置的，需要什么功能就使能什么功能。 所以在编译 uboot 之前，一定要根据自己的需求配置 uboot。 如上边 mx6ull_14x14_ddr512_emmc_defconfig 就是正点原子为 Alpha I.MX 的 EMMC存储 512MB ddr内存 开发板写的配置文件。

说明：对于正点原子的 alpha i.mx 这款开发板，上电uboot启动后，倒计时提示，默认倒计时 3 秒，倒计时结束之前按下回车键就会进入 Linux 命令行模式。如果在倒计时结束以后没有按下回车键，那么 Linux 内核就会启动， Linux 内核一旦启动， uboot 就会寿终正寝。

2.2.3 编译生成文件解释

编译后生成 alientek_uboot.tar.bz2 压缩包，其中包括 u-boot.bin 、 u-boot.imx 文件等等 ，压缩包中的文件解释如下。 u-boot.imx 文件是NXP 的 CPU 专用文件

• …/arch/arm/cpu 目录下的 uboot.lds 文件，是ARM 芯片所使用的 u-boot 链接脚本文件 。
• …/board/freescale/mx6ullevk 目录下是和具体的板子有关的 内容。
• …/config 目录为uboot的配置文件，编译uboot之前首先 make xxx_defconfig 来配置uboot
• .u-boot.imx.cmd 文件： 将 .bin 文件转化为 .imx 文件。

cmd_u-boot.imx := ./tools/mkimage -n
board/freescale/mx6ull_alientek_emmc/imximage.cfg.cfgtmp -T imximage -
e 0x87800000 -d u-boot.bin u-boot.imx
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解析：用到了工具 tools/mkimage，而 IVT、 DCD 等数据保存在了文board/freescale/mx6ullevk/imximage-ddr512.cfg.cfgtmp 中 ，工具 mkimage 就是读取文件xxx.cfg.cfgtmp 里面的信息，然后将其添加到文件 u-boot.bin 的头部，最终生成 u-boot.imx。

• 根目录下 u-boot.lds 文件：程序的链接脚本文件，展示了代码的入口点，在arch/arm/lib/vectors.S 文件中
• arch/arm/lib/vectors.S ：

2.3 uboot 常用命令

信息查询

环境变量操作

MMC(0) — SD 卡 MMC(1) —-EMMC

一般环境变量是存放在外部 flash 中的，uboot 启动的时候会将环境变量从 flash 读取到 DRAM 中

如：修改 bootargs 环境变量的值并保存

setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw'` `saveenv

内存操作

网络操作

EMMC和SD卡操作

FAT好EXT格式文件系统操作

BOOT操作

剩下的参考手册，在此不给出

2.4uboot 启动流程

链接文件 arch/arm/cpu/ u-boot.lds → arch/arm/lib/vectors.S 路径下 代码入口点: _start → 在u-boot.map 文件中找到 __image_copy_start ，地址为 0X87800000 ，.text 的起始地址也是 0X87800000说明vectors 段的起始地址也是 0X87800000。因此，整个 uboot 的起始地址就是 0X87800000， 裸机程序链接起始地址选择0X87800000就是为了和uboot保持一样。向量表的起始地址也是 0X87800000。

linux内核在DRAM中的加载地址为 0x8080_0000

关于汇编部分。。。

2.5 uboot 移植

直接将NXP官方的uboot烧写到正点原子开发板中发现：

• ① uboot 启动正常， DRAM 识别正确， SD 卡和 EMMC 驱动正常。
• ② uboot 里面的 LCD 驱动默认是给 4.3 寸 480x272 分辨率的，如果使用的其他分辨率的屏幕需要修改驱动。
• ③ 网络不能工作，识别不出来网络信息，需要修改驱动。

在uboot中添加自己的开发板的流程如下：

• 添加开发板默认配置文件 xxx_defconfig

​ 在 configs目录下复制一份 mx6ull_14x14_evk_emmc_defconfig (表示芯片14*14大小) ，重命名为 mx6ull_alientek_emmc_defconfig ，然后修改内容。

• 添加开发板对应的头文件 include xxxx.h

​ 在目录 include/configs 下添加 I.MX6ULL-ALPHA 开 发 板 对 应 的 头 文 件 ， 复 制 include/configs/mx6ullevk.h，并重命名为 mx6ull_alientek_emmc.h ，然后修改头文件内容，头文件中的宏定义用于配置uboot和配置项目。mx6ull_alientek_emmc.h 文件的主要功能就是配置或者裁剪 uboot。如果需要某个功能的话就在里面添加这个功能对应的 CONFIG_XXX 宏即可，如果不需要某个功能的
话就删除掉对应的宏即可 。文件中以 CONFIG_CMD 开头的宏都是用于使能相应命令的，其他的以 CONFIG 开头的宏都是完成一些配置功能的 。

• 添加开发板对应的板级文件夹

NXP 的 I.MX 系列芯片的所有板级文件夹都存放在 board/freescale 目录下，在这个目录下有个名为 mx6ullevk 的文件夹，这个文件夹就是 NXP 官方 I.MX6ULL EVK 开发板的板级文件夹。

3. linux内核部分

3.1内核启动流程

arch/arm/kernel/vmlinux.lds 中指明了了 Linux 内核入口，入口为 stext ，该文件在 arch/arm/kernel/head.S 中

arch/arm/kernel/head.S stext 是 Linux 内核的入口地址

init/main.c 启动内核

3.2 根文件系统构建–buildroot

​ buildroot 和 uboot LinuxKernal 类似，需要先下载源码，然后配置相关参数，如设置交叉编译器、设置目标CPU参数等，最重要的是选择需要的第三方软件或库，配置好以后进行编译，编译成功后在一个文件夹存放编译好的结果，也就是根文件系统。

下载源码

官网地址为 https://buildroot.org/ ，下载相应的版本如，buildroot-2019.02.6.tar.bz2

利用 menuconfig配置 buildroot

• Target options ：项目名称、架构等
• Toolchain ：配置本机交叉编译工具链的路径
• System configuration：系统配置，比如开发板名字、欢迎语、用户名、密码等
• Filesystem images :根文件系统的格式
• uboot 和 linuxkernal :禁止编译uboot 和linux内核
• Target packages ：配置第三方软件库 (这一点比较重要)

编译 buildroot

sudo make ,编译完成以后就会在 buildroot-2019.02.6/output/images 下生成根文件系统

4. 简单的字符设备驱动开发

4.1概念和原理

​ 解释含义：字符设备驱动就是一个一个字节，按照字节流读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如，点灯、按键、IIC、SPI、LCD等都是字符设备，设备的驱动叫做字符设备驱动。

​ 操作过程：如LED驱动加载好以后，会生成 /dev/led的驱动文件，（/dev是设备目录，/led是具体的驱动的名称）应用程序使用 open() 函数打开文件 dev/led，使用完成后用 close()函数关闭这个文件。open()和close()就是打开和关闭LED驱动的函数。若要点灯，则使用 write()函数操作向驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是打开LED的控制参数。若要获取LED灯的状态，则用read()函数从驱动中读取相应的状态。用户空间不能直接对内核进行操作 ，必须通过调用库的方法实现对内核的调用以及底层驱动的访问 。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中 file_operations 的结构体是 Linux 内核驱动操作函数集合。

4.2 字符设备驱动开发步骤

四步：驱动模块的加载与卸载、字符设备的注册于注销、实现字符设备的具体操作函数、添加 license 和作者信息

驱动的运行方式：

（1） 将驱动编译进Linux内核中。Linux内核启动时自动运行驱动程序（一般是调试好了之后再编译进去）

（2）将驱动编译成模块( .ko文件)，内核启动后使用 modprobe加载驱动模块（调试用，修改后重新编译加载即可，不需要重启内核）

模块的加载和卸载：

加载 ： insmod drv.ko 或者 modprobe drv.ko 卸载： modprobe drv.ko 或者 rmmod drv.ko

驱动模块加载成功 → 注册字符设备 卸载驱动模块 → 注销字符设备

Linux设备号： include/linux/kdev_t.h

注册字符设备的时候需要给设备指定一个设备号，并保证它没有被使用过，可以用 alloc_chrdev_region ()函数动态申请设备号

主设备号：表示一个具体的驱动 。数据类型32位，高12位

次设备号：表示使用这个驱动的各个设备。数据类型32位，低20位

chrdevbase 字符设备驱动开发实验（虚拟一个设备，测试Linux加载改设备驱动的读写操作，步骤如下：）

1. 编写chrdevbase.c 和 Makefile 文件，编译生成 chrdevbase.ko 文件
2. 编写chrdevbaseApp.c ，编译生成 chrdevbaseApp 这个在ARM架构下的可执行程序
3. 加载驱动模块。开发板通过tftp和nfs将Ubuntu的文件下载到开发板，modprobe chrdevbase.ko 加载驱动文件，用cat /proc/devices 查看当前系统中所有设备
4. 创建设备节点文件。mknod /dev/chrdevbase c 200 0 c 表示是字符设备 200是主设备号 0是次设备号
5. chrdevbase 设备操作测试 ，./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1 读取 ./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 2 写入
6. 卸载驱动模块。rmmod chrdevbase.ko

4.3 LED 灯驱动开发过程

Linux 下的任何外设驱动，最终都是要配置相应的硬件寄存器。

地址映射：对于 32 位的处理器来说，虚拟地址范围是 2^32=4GB，但是开发板的DDR只有512MB （物理地址），经过MMU可以将 512MB的物理内存映射到整个4GB的虚拟内存空间。这个时候肯定存在多个虚拟地址映射到同一个物理地址的问题，这个暂不深究。Linux 内核启动的时候会初始化 MMU，设置好内存映射，设置好以后 CPU 访问的都是虚拟地址 。

**I/O内存：**当外部寄存器或内存映射到内存空间时，称为I/O内存。将寄存器的物理地址映射到虚拟地址后，就可以通过指针直接访问地址

代码的调用关系如下图所示：

编写的APP就是编写linux应用。

makefile 文件代码解释：

4.4 LED驱动–新字符设备驱动开发

旧：使用设备时用 register_chrdev 函数注册字符设备 ， 不使用设备时用 unregister_chrdev 函数注销字符设备 ，驱动模块加载成功后需要用 mknod 命令手动创建设备节点。

新：编写新字符设备驱动，并且**在驱动模块加载的时候自动创建设备节点文件**

4.5 设备树相关知识

笔记：.dts文件的路径：arch\arm\boot\dts\imx6ull-alientek-emmc.dts

修改设备树文件时，设备节点最好添加到好区分的地方，一级节点是最好的地方，修改后，DTC 工具源码在 Linux 内核的 scripts/dtc 目录下：编译 .dts 文件的命令是，在Linux源码根目录下，命令make dtbs

4.5.1设备树概述

设备树是用来**描述板子上的设备信息**的，不同的设备其信息不同，反映到设备树中就是属性不同。

Linux 内核会根据 compatbile 属性值来查找对应的驱动文件

（一）DTS 、DTB 和DTC

.dts文件是设备树的源码文件， .dtb是将源码文件编译好的二进制文件，将.c文件编译为.o文件需要gcc编译器，将.dts文件编译为.dtb文件需要 DTC工具。

.dtsi文件里面是一款芯片所支持的所有板子共同存在的设备信息.dts文件中会引入头文件.dtsi文件，剩下的具体链接什么外设啊，这种信息都存在于.dts文件中，比如说I2C接了某传感器，前面的信息由.dtsi 提供，后面的信息由.dts提供。

如果我们使用 I.MX6ULL 新做了一个板子，只需要新建一个此板子对应的.dts 文件，然后将对应的.dtb 文件名添加到dtb-$(CONFIG_SOC_IMX6ULL) 下，这样在编译设备树的时候就会将对应的.dts 编译为二进制的.dtb文件。

（二）设备树在系统中体现

设备树文件中“/”是根节点，剩下的是子节点，子节点下面可能还会包含子节点，子节点下会有子节点包含的设备信息（也就是属性信息）

在移植好的系统中的， /proc/device-tree 目录下

两个特殊节点：aliases 和 chosen： aliases 子节点用于给节点定义别名，用于方便访问节点。chosen 自己诶单功能是 uboot向Linux内核传递数据用，重点是传递 bootargs 参数。（uboot 在启动Linux内核时会将bootargs的值传递给Linux内核，bootargs回作为Linux内核的命令行参数）

Linux 在 start kernal 后，会解析 DTB文件中的各个节点

（三）设备树常用的 OF 操作函数

设备都是以节点的形式“挂”到设备树上的，因此要想获取这个设备的其他属性信息，必须先获取到这个设备的节点。

这些函数用于获取设备树中某些属性的信息，如设备树使用reg属性描述了某个外设寄存器地址为0X02005482，长度为 0X400 ，在驱动开发时需要获取reg属性值，然后初始化外设。就可以用 include/linux/of.h 文件中的一些列 OF 函数。

• 查找节点的函数：

of_find_node_by_name () of_find_node_by_type () of_find_compatible_node()

of_find_matching_node_and_match() of_find_node_by_path()

4.5.2 设备树中的重要属性

1. compatible 属性

compatible 属性也叫做“兼容性”属性，属性值是一串字符串列表，用于选择设备要使用的驱动程序，将设备和驱动绑定起来

格式：“manufacturer,model” 如： 在sound节点下，compatible = "fsl,imx6ul-evk-wm8960","fsl,imx-audio-wm8960"; 表示有2个属性，第一个属性是第一个引号，厂商是 fsl （飞思卡尔），驱动模块为“imx6ul-evk-wm8960”和“imx-audio-wm8960”表示驱动模块名字 。

sound这个设备会在Linux内核中查找是否可以找到与引号中的两个驱动文件相匹配的值，一般驱动程序文件会有一个OP匹配表，表中保存着一些 compatible 值，若设备节点的 compatible 属性和OF匹配表中的任何一个值相等，就表示可以使用这个驱动。

2. model 属性

用于描述设备模块信息 ，如 model = "wm8960-audio";

3. statue 属性

4. #address-cells 和#size-cells 属性

无符号32位整形，可以用在任何拥有西街店的设备中，用于描述子节点的地址信息，分别决定了子节点reg属性中地址和长度信息的子长为32位。

如下表示：aips3: aips-bus@02200000 节点起始地址长度所占用的字长为 1，地址长度所占用的字长也为 1。 子节点 dcp: dcp@02280000 的 reg 属性值为<0x02280000 0x4000> 相当于设置了**起始地址为 0x02280000，地址长度为 0x40000**

aips3: aips-bus@02200000 {
	compatible = "fsl,aips-bus", "simple-bus";
 	#address-cells = <1>;
​	 #size-cells = <1>;

	dcp: dcp@02280000 {
		compatible = "fsl,imx6sl-dcp";
		reg = <0x02280000 0x4000>;
	};
};
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5. reg 属性

reg 属性一般用于描述设备地址空间资源信息，一般都是**某个外设的寄存器地址范围信息**。reg 属性的值一般是(address， length)对。

4.5.3 向节点追加内容

一旦硬件发生变化，则需要同步修改设备树文件，因为设备树是描述板子硬件信息的文件。比如 有两个芯片 fxls8471， fxls8471接到了板子的 IIC 接口上，那么就需要在 IIC 这个节点上再追加2个子节点。

imx6ull.dtsi ：所有 使用 i.mx6ull 这个SOC 的开发板使用的文件（不能直接修改这个文件，否则会影响使用这个SOC的其他开发板）imx6ull-alientek-emmc.dts ：正点原子alpha开发板使用的设备树文件，在这个文件中修改，只影响自己的开发板。追加方法如下：

4.5.4 根节点和子节点

根节点 ”/“：在 /proc/device-tree 目录下，根节点属性表现为一个个的文件，“compatible”、“model”和“name” 等文件，其内容就是

子节点： 根节点下的子节点在同上目录下，表现为一个个文件夹，“compatible”、“model”和“name” 等，内容就是.dts文件中的信息

根节点：在同上目录下，，表现为一个个文件。

4.5.5 特殊节点

• aliases 子节点

aliases 节点的主要功能就是定义别名 ，目的就是为了方便访问节点。在节点定义命名时加上label，然后设备树文件中一般使用 &label 的形式访问节点，类似与下边的形式。

aliases {

​ spi0 = &ecspi1;
​ spi1 = &ecspi2;

… }

• chosen 子节点

chosen 并不是一个真实的设备， chosen 节点主要是为了 uboot 向 Linux 内核传递数据，重点是 bootargs 参数。

uboot 在启动 Linux 内核的时候会将 bootargs 的值传递给 Linux内核， bootargs 会作为 Linux 内核的命令行参数。 uboot 自己在 chosen 节点里面添加了 bootargs 属性！并且设置 bootargs 属性的值为 bootargs环境变量的值。

4.6 设备树下的LED驱动

之前过程：在驱动文件中 xxx.c 定义寄存器的物理地址 → io_remap 内存映射,得到虚拟地址 → 操作寄存器对应的虚拟地址初始化GPIO

使用设备树之后的过程：

• ①、在 imx6ull-alientek-emmc.dts 文件中创建 alphaled 设备节点，添加寄存器地址、长度信息，make dtbs，编译新的.dtb文件
• ②、编写驱动程序，获取设备树中的相关属性值。
• ③、使用获取到的有关属性值来初始化 LED 所使用的 GPIO。

第一步、使用新编译好的imx6ull-alientek-emmc.dtb 启动Linux 内核，启动后在/proc/device-tree/目录中查看“alphaled”节点 。

第二步、在代码中，初始化时获取设备树节点属性，

第三步、利用获取到的reg值，进行寄存器映射，初始化GPIO

结果验证：

（1）修改设备树，添加节点，编译；并将编译成的dtb文件发送到 home/alientek/linux/tftp 目录下。启动开发板，看是否成功添加成功节点（因为我将 alphaled 这个节点添加到了 / 一级子节点下面，所以在 /proc/device-tree/ 目录下可以直接看到这个节点）

（2）测试驱动模块加载无误

将编译生成的dtsled_zyh.ko 文件复制到我的Ubuntu目录下，然后利用 nfs 挂载到Ubuntu的目录下，参考自己写的【通过uboot 从网络启动Linux系统 】利用 nfs 挂载文件系统部分。

sudo cp dtsled_zhangyh.ko /home/alientek/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15 -f

测试加载驱动过程

depmod   								//第一次加载设备使用
modprobe chrdevbase.ko     				//加载驱动
cat /proc/devices              	  		//查看当前系统中有没有 **chrdevbase** 这个设备  
lsmod     								//查看当前系统中存在的模块  
rmmod  chrdevbase.ko   	 				//卸载驱动
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4.7 pinctrl 和 gpio 子系统

pinctrl 子系统：针对 PIN 引脚的配置 drivers/pinctrl gpio 子系统 ：针对 GPIO 的配置

面向对象，驱动分离和分层的思想。一般的开发流程是：首先，修改设备树，添加相应的节点，重点设置 reg 属性。然后，在驱动文件中利用 of 函数获取 reg 属性，进行内存映射并初始化 GPIO （初始化GPIO过程：设备 pin 脚的复用、上下拉、速度等功能，然后设置 GPIO 为输入/输出等模式，即先设置pin脚的功能，然后设置pin引脚对应的GPIO）

pinctrl 子系统主要工作内容如下：

①、获取设备树中 pin 信息。
②、根据获取到的 pin 信息来设置 pin 的复用功能
③、根据获取到的 pin 信息来设置 pin 的电气特性，比如上/下拉、速度、驱动能力等。

这样就可以直接使用这两个子系统来配置GPIO ，简化开发流程

4.7.1pinctrl 子系统

不同的外设使用不同的pin，也具有不同的配置，“一个萝卜一个坑”，将某个外设使用的所有pin都组织到一个子节点里边。

一个 PIN 的配置主要包括两方面，一个是设置 PIN 的 引脚复用功能，另一个就是设置 PIN 的电气特性

创建节点时格式以及解释：

同一个外设的 PIN 都放到一个节点里面，在 imx6ull-alientek-emmc.dts 中，在 iomuxc 节点中的“imx6ul-evk”子节点下添加“pinctrl_test”节点，注意，节点前缀一定要为“pinctrl_”。

/* 设备所使用的 PIN 配置信息 */
/*config 是具体设置值*/
pinctrl_test: testgrp {
	fsl,pins = <MX6UL_PAD_GPIO1_IO00__GPIO1_IO00 config>; 
}
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注意，属性名一定是 fsl ,pins ，因为对于I.MX系列的SOC 来说，pinctrl 驱动是通过这个属性值读取设置的pin的信息的 。

解释：

#define MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19                         0x0090 0x031C 0x0000 0x5 0x0

fsl,pins<MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19  0x17059>;  
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参数分别表示为：mux_reg conf_reg input_reg mux_mode input_val

= <0x0090 0x031C 0x0000 0x5 0x0>

注意： IO配置寄存器整体上分为两种， MUX 寄存器用于配置IO引脚的复用功能； PAD寄存器用于配置IO的电气特性。

• mux_reg： mux_reg 寄存器（引脚复用寄存器）的偏移地址 IOMUXC_SW_ MUX_CTL_PAD_UART1_RTS_B (见下图1)
• conf_reg : conf_reg 寄存器（引脚配置寄存器）的偏移地址 IOMUXC_SW_ PAD_CTL_PAD_UART1_RTS_B (见下图2)
• input_reg : input_reg 寄存器的偏移地址 ,没有的话设置0
• mux_mode：mux_reg寄存器的值，相当于设置 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_RTS_B 寄存器的值为 5，即设置 UART1_RTS_B 这
  个 PIN 复用为 GPIO1_IO19
• input_val：input_reg 寄存器值，在这里无效。
• 0x17059就是conf_reg寄存器的值

4.7.2 GPIO子系统

用于初始化GPIO并且提供相应的API函数。设备树中添加 gpio 节点模板 格式如下：

接着上一小节，向 pinctrl_test 这个节点中添加 test 设备，（pinctl_test 节点中描述了 test 设备所使用的 GPIO1_IO00这个pin脚信息）

test{
	pincrtl-names = "default";  /*属性值*/
	pinctrl-0=<&pinctrl_test>;  /*添加一个节点，此节点用 pinctrl_test 节点中的pin脚信息*/
	gpio =<&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;   /*添加GPIO 属性信息,表名test设备所用的 GPIO 使用gpio1的io03，低电平有效*/
};
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4.7.3 驱动编写流程

设置好设备树以后，使用 GPIO 子系统提供的 API函数操作指定的 GPIO

• 在iomux节点下的imx6ul-evk子节点下创建 “pinctrl_led”的子节点，将 GPIO1_IO03 这个引脚复用为 GPIO1_IO03，电气属性值为 0X10B0。

  pinctrl_led:ledgrp{
  	fsl,pins<MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03  0x10b0>;
  };
  // #define MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03         0x0068 0x02F4 0x0000 0x5 0x0
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![image-20220831182808020](H:/typora_picture/image-20220831182808020.png)



- 添加LED设备节点，在 根节点下 “/” 添加 LED灯节点，命名为 gpioled 

  ```c
  gpioled {
  	#address-cells=<1>;
  	#size-cells=<1>;
  	compatible = "alientek-gpioled";
  	status = "okey";
  	pincrtl-names = "default";
  	pinctrl-0=<&pinctrl_led>;
  	led-gpio =<&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>; /*指定LED灯使用的gpio为  gpio1 的 io03*/
  };
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• 检查该pin脚是否已经被其他外设使用。

• 编写驱动代码

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5 . Linux 并发与竞争

注意：ARM架构不支持直接对寄存器进行读写操作。C 语言中的 int a = 8; 转化为汇编语言可能为：

ldr r0,=0X30000000 /变量 a 地址 /
ldr r1, = 3 /要写入的值 */
str r1, [r0] / 将 3 写入到 a 变量中 /

描述：Linux是一个多任务操作系统，肯定会存在**多个任务共同操作同一段内存或者设备**的情况，当多个任务同时访问一片内存区域时，这些任务可能会相互颠覆这段内存中的数据，造成内存数据混乱。多个任务甚至中断都能访问的资源叫做共享资源， 在驱动开发中要注意对共享资源的保护，也就是要处理对共享资源的并发访问。

并发：多个“用户”同时访问同一个共享的资源，并发带来的问题就是竞争。 产生并发的原因主要有以下：

① 多线程并发访问， Linux 是多任务(线程)的系统，所以多线程访问是最基本的原因。
② 抢占式并发访问，Linux2.6版本开始内核支持抢占，也就是说调度程序可以在任意时刻抢占正在运行的线程，从而运行其他的线程。
③ 中断程序并发访问，学过 STM32 的同学应该知道，硬件中断的权利可是很大的。
④ SMP(多核)核间并发访问，现在 ARM 架构的多核 SOC 很常见，多核 CPU 存在核间并发访问

保护的内容：保护的是数据不是代码，保护的是多个线程都会访问的共享数据

并发与竞争的例子：线程AB都操作 0x3000_0000这个内存，线程A给这个内存赋值10，线程B赋值20，理想的情况下，A执行完在执行B，但是若不管理AB两个线程，则可能造成右侧情况，A执行的同时,B线程也在竞争这个内存，结果就是，A执行完了这个内存里的值不是目标值10，而是线程B的执行结果20.

5.1 自旋锁的概念

​ 当一个线程要访问某个共享资源的时候首先要先获取相应的锁， 锁只能被一个线程持有，只要此线程不释放持有的锁，那么其他的线程就不能获取此锁。 对于**自旋锁**而言，如果自旋锁正在被线程 A 持有，线程 B 想要获取自旋锁，那么线程 B 就会处于忙循环-旋转-等待状态，线程 B 不会进入休眠状态或者说去做其他的处理，而是会一直傻傻的在那里“转圈圈”的等待锁可用。

​ 通俗的讲，自旋锁的“自旋”也就是“原地打转”的意思，“原地打转”的目的是为了等待自旋锁可以用，可以访问共享资源。 比如现在有个公用电话亭，一次肯定只能进去一个人打电话，现在电话亭里面有人正在打电话，相当于获得了自旋锁。此时你到了电话亭门口，因为里面有人，所以你不能进去打电话，相当于没有获取自旋锁，这个时候你肯定是站在原地等待，你可能因为无聊的等待而转圈圈消遣时光，反正就是哪里也不能去，要一直等到里面的人打完电话出来。终于，里面的人打完电话出来了，相当于释放了自旋锁，这个时候你就可以使用电话亭打电话了，相当于获取到了自旋锁 。

​ 自旋锁只适用于短时期的轻量级加锁，原因就是等待自旋锁的线程会一直处于自旋状态，会浪费处理器时间，降低系统性能，所以自旋锁的持有时间不能太长 。

**死锁现象：**自旋锁会自动禁止抢占，也就说当线程 A得到锁以后会暂时禁止内核抢占 。线程A在持有锁期间若调用了引起休眠或者阻塞的函数，那么线程A自动放弃CPU使用权，但是线程A休眠没有执行完，就不会解锁，线程B 一直等待A解锁，并且这个时候还禁止内核抢占。一直无法释放锁，那么死锁就发生了。

自锁使用注意：

①、因为在等待自旋锁的时候处于“自旋”状态，因此锁的持有时间不能太长，一定要短，否则的话会降低系统性能。如果临界区比较大，运行时间比较长的话要选择其他的并发处理方式，比如稍后要讲的信号量和互斥体。
②、自旋锁保护的临界区内不能调用任何可能导致线程休眠的 API 函数，否则的话可能导致死锁。
③、不能递归申请自旋锁，因为一旦通过递归的方式申请一个你正在持有的锁，那么你就必须“自旋”，等待锁被释放，然而你正处于“自旋”状态，根本没法释放锁。结果就是自己把自己锁死了！
④、在编写驱动程序的时候我们必须考虑到驱动的可移植性，因此不管你用的是单核的还是多核的 SOC，都将其当做多核 SOC 来编写驱动程序

5.2 信号量

信号量常常用于**控制对共享资源的访问** 。

​ 通俗的解释：比如 A 与 B、 C 合租了一套房子，这个房子只有一个厕所，一次只能一个人使用。某一天早上 A 去上厕所了，过了一会 B 也想用厕所，因为 A 在厕所里面，所以 B 只能等到 A 用来了才能进去。B 要么就一直在厕所门口等着，等 A 出来，这个时候就相当于**自旋锁。 B 也可以告诉 A，让 A 出来以后通知他一下，然后 B 继续回房间睡觉，这个时候相当于信号量。可以看出，使用信号量会提高处理器的使用效率，毕竟不用一直傻乎乎的在那里“自旋”等待。但是，信号量的开销要比自旋锁大，因为信号量使线程进入休眠状态以后会切换线程，切换线程就会有开销。总结一下信号量的特点：
①、因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，因此适用于占用资源比较久的场合。
②、因此信号量不能用于中断**中，因为信号量会引起休眠，中断不能休眠。
③、如果共享资源的持有时间比较短，那就不适合使用信号量了，因为频繁的休眠、切换线程引起的开销要远大于信号量带来的那点优势 。

​ 信号量有一个信号量值，相当于一个房子有 10 把钥匙，这 10 把钥匙就相当于信号量值为10。因此，可以通过信号量来控制访问共享资源的访问数量，如果要想进房间，那就要先获取一把钥匙，信号量值减 1，直到 10 把钥匙都被拿走，信号量值为 0，这个时候就不允许任何人进入房间了，因为没钥匙了。如果有人从房间出来，那他要归还他所持有的那把钥匙，信号量值加 1，此时有 1 把钥匙了，那么可以允许进去一个人。相当于通过信号量控制访问资源的线程数，在初始化的时候将信号量值设置的大于 1，那么这个信号量就是计数型信号量，计数型信号量不能用于互斥访问，因为它允许多个线程同时访问共享资源。

5.3 互斥体—mutex

互斥访问表示一次只有一个线程可以访问共享资源 。

①、mutex 可以导致休眠，因此不能在中断中使用 mutex，中断中只能使用自旋锁。
②、和信号量一样， mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数。
③、因为一次只有一个线程可以持有 mutex，因此，必须由 mutex 的持有者释放 mutex。并且 mutex 不能递归上锁和解锁。

5.4 解决并发与竞争

实验目的：实现一次只允许一个 app 来访问 LED 灯，在这个APP访问led期间不允许其他操作，直到这个APP释放设备，才会允许对LED的其他操作。

• 原子操作实验： 在open 函数中申请原子变量，在release 函数中释放原子变量。

• 自旋锁实验：自旋锁保护的临界区尽可能要短。因此不能和原子实验中一样在open中申请release中释放。思路：可以使用一个变量如 dev_status 表示设备的使用情况，设备被使用变量+1，设备被释放后变量-1，只需要用自旋锁保护这个变量，而不是保护整个是被使用的过程。真正实现设备的互斥访问的是 dev_status 变量，使用自旋锁对这个变量做保护。

• **信号量实验：**信号量导致休眠，因此 信号量保护的临界区没有运行时间限制。在驱动open函数申请信号量，在release中释放信号量，但是一定要注意 信号量不可以在中断中使用。信号量的头文件为

  

6. Linux内核定时器 、中断

6.1 定时器部分

内核定时器基本介绍

​ Linux 内核中有大量的函数需要时间管理，比如周期性的调度程序、延时程序等，最常用的就是定时器。硬件定时器提供时钟源，通过设置时钟源的频率，系统周期性产生定时中断，系统使用定时中断来记时。为 中断周期性产生频率就是系统频率，比如1000Hz。在Linux源码下，利用make menuconfig 在界面下设置，->kernel Features ->Timer frequency([=y])，默认100Hz。设置完在根目录下的 .config 文件找到 CONFIG_HZ = 100。

高低时钟频率的优缺点：

​ 关于系统时钟频率：高节拍率会提高系统时间精度 ，比如1000Hz的精度就是 1ms，但是100Hz精度只有10ms；但是高节拍率会导致处理器频繁的处理中断，中断服务函数占用处理器的时间增加。

注意的点：

**内核定时器并不是周期性运行的，超时以后就会自动关闭， **因此如果想实现周期性定时，就需要在定时处理函数中重新开启定时器。

6.2 中断部分

Linux 内核提供了完善的中断框架 ，只需要申请中断然后编写中断服务函数即可，不需要一系列复杂的寄存器配置。

正常的中断流程：
①、使能中断，初始化相应的寄存器。
②、注册中断服务函数，也就是向 irqTable 数组的指定标号处写入中断服务函数
②、中断发生以后进入 IRQ 中断服务函数，在 IRQ 中断服务函数在数组 irqTable 里面查找具体的中断处理函数，找到以后执行相应的中断处理函数

7. 字符驱动开发部分

7.1 复杂驱动的分离与分层

platform 框架下的设备驱动 ：为了实现驱动的可重用性，Linux包含了驱动的分离与分层的思路。

7.2 I2C接口驱动

7.2.1 原理部分

一个 I2C 控制器下可以挂多个 I2C 从设备 ， 不同的I2C从设备有不同的器件地址，主控制器通过 I2C 设备的器件地址访问指定的 I2C设备

读写数据时序：

7.2.2 I.MX SOC IIC Register

实验过程：通过I.MX6U的 I2C1 读取 AP3216C内部的上传感器的值，并在LCD 上显示。

分别 初始化：IO（引脚复用、中断） I2C1（波特率设置） AP3216C

7.2.3 iic-Linux驱动框架

设备驱动的分离与分层

整体流程：

1、在设备树中描述好IIC设备信息

2、构建IIC Driver并注册到IIC总线

3、实现 probe() 函数（申请设备号，实现file_operations、创建设备节点文件、通过IIC的接口去初始化IIC从设备）

• 修改设备树文件

AP3216C 使用的是 I2C1，其中 I2C1_SCL 使用的 UART4_TXD 这个 IO， I2C1_SDA 使用的是 UART4_R XD 这个 IO。

（1）在 .dtb 文件中添加节点 pinctrl_i2c1 ，将 UART4_TXD 引脚复用为 I2C1_SCL ，电气属性设置为 0x4001b8b0

（2）在 i2c节点中追加 ap3216c 子节点 注意：1e 表示i2c设备的地址，这个地址需要查找芯片手册

修改完之后，在 /sys/bus/i2c/devices 目录下看到 0-001e 的子目录，0-001e 就是 ap3216c 器件的地址，其中有name 文件值ap3216c

器件驱动编写

初始化 i2c 驱动并且向Linux内核注册，当设备和驱动匹配后，i2c_driver 中的的probe 函数就会执行 。

（1）iic总线驱动

Linux 内核将 SOC 的 I2C 适配器(控制器)抽象成 i2c_adapter， i2c_adapter 结构体定义在 include/linux/i2c.h 文件中，完成 iic 与设备之间的通信。这一部分有半导体厂商编写好了，我们中需要专注于iic设备驱动的开发即可。

（2）设备驱动

I2C 设备驱动重点关注两个数据结构： i2c_client 和 i2c_driver， 作用分别是描述设备信息、描述驱动内容。

i2c_client ：一个设备对应与一个i2c_client ，每检测到一个iic设备就会给这个设备分配一个 i2c_client 。

i2c_driver：当 I2C 设备和驱动匹配成功以后 probe 函数就会执行 。对于 I2C 设备驱动编写人来说，重点工作就是构建 i2c_driver，构建完成以后需要向Linux 内核注册这个 i2c_driver。

设备和驱动的匹配过程：drivers/i2c/i2c-core.c 比较 I2C 设备节点的 compatible 属性和 of_device_id 中的 compatible 属性是否相等，如果相当的话就表示 I2C设备和驱动匹配。

（3）数据收发

ap3216c_read_regs() ： iic 从ap3216c读取多个寄存器数据，过程：连续发送2条消息，第一条为要读取的寄存器的首地址，第二条为读取的数据以及读取的长度

ap3216c_write_regs()：iic向ap3216c多个寄存器写入数据

重点函数分析

• i2c_transfer() :进行i2c数据的传输。 读写 I2C 设备中的寄存器 (从机地址、传输方向、寄存器地址和长度、数据缓冲区地址和长度)
• i2c_client: 表示i2c设备，不需要我们自己创建i2c_client，我们一般在设备树里边添加具体的i2c芯片，比如fxls8471，系统在解析设备树时就会知道有这个i2c设备，并创建相应的i2c_client。
• i2c_driver： 定义 ap3216c_driver

/* i2c驱动结构体 */	
static struct i2c_driver ap3216c_driver = {
    /* 当设备和驱动匹配时，执行此函数。  完成构建设备号、注册设备、 创建类和设备等（字符驱动开发框架）等功能*/
	.probe = ap3216c_probe,  
	.remove = ap3216c_remove,  /*移除设备时执行*/
	.driver = {
                .owner = THIS_MODULE,
                .name = "ap3216c",
                .of_match_table = ap3216c_of_match,  /*使用设备树时，用 of函数查找 匹配*/
		      },
	.id_table = ap3216c_id,  	/*不使用设备树时，传统的 ID 匹配*/
};
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7.3 SPI接口驱动

7.3.1 基本原理

驱动开发作用：基于Linux系统内核的基础上，开发 alpha 开发板的驱动，可以实现在应用程序中读取SPI接口传感器的数据。

全称：Serial Perripheral Interface，串行外围设备接口 速度方面：I2C最多400MHz ，而 SPI 可以到达几十 MHz 。

SPI信号线：

工作时序图实例：

7.3.2 驱动框架

• 主机驱动：SOC 的 SPI 控制器驱动，用 spi_master 结构体表示。

spi_alloc_master()函数申请 spi_master， spi_master_put() 释放spi_master。

spi_register_master () 函数向Linux内核注册spi_master， spi_unregister_master ()函数注销 spi_master。

• 设备驱动：spi_driver 结构体表示一个设备。

spi_register_driver() 向 Linux 内核注册 注册 spi_driver ，初始化完成以后就要注册

spi_unregister_driver () 注销spi_driver ， 注销 SPI 设备驱动以后也需要注销掉前面注册的 spi_driver，

• 设备和驱动匹配

SPI 设备和驱动的匹配过程是由 SPI 总线来完成的。spi_bus_type 这个结构体中的match函数用来匹配驱动和设备。

7.4 串行通信驱动

7.4.1 基本概念

• 串行通信：数字信号通过一根数据线一个Bit一个Bit的发送出去
• Uart：通用异步收发器，是一堆电路。电路中有位移寄存器、波特率发生器、缓存器等。 UART 只采用了数据线。数据传输开始的时候transmitter在信号线上有电平跳变，receiveer 感知到电平跳变后开始采样，采样频率一般是波特率的4或16倍。transmitter发送数据的频率称为波特率
• RS232 / RS485：当串行通信应用在设备与设备之间的时候，由于大多数芯片都是输出TTL电平的，因为TTL的抗噪能力较差，因此采用增加逻辑1和逻辑0之间电压差的方法，如RS232电平：(逻辑1：-5 至 -15V，逻辑0：+5 至 15V)。RS485电平：采用差分信号的形式。所以 RS232或485只是一种接口，定义了接口的外观、各个引脚的功能、信号0和1对应的电压等，他们都属于串行通信的一种。

三条线： TXD RXD GND

电平标准：

• TTL ：一般开发板上都有 TXD 和 RXD 引脚 ，低电平表示逻辑0，高电平表示逻辑1；
• RS-232：采用差分线， -3~ -15V 表示逻辑 1，+3~ +15V 表示逻辑 0

7.5 驱动框架

要做的工作：在设备树中添加所要使用的串口节点信
息。当系统启动以后串口驱动和设备匹配成功，相应的串口就会被驱动起来，生成
/dev/ttymxcX (X=0….n)文件

uart_driver 结构体：表示一个串口驱动， 在 include/linux/serial_core.h 路径中，用 uart_register_driver() 注册，uart_unregister_driver () 注销

uart_port ：表示一个具体的 port ，在 include/linux/serial_core.h 路径下，通过 uart_add_one_port() 将端口和驱动结合起来。uart_remove_one_port ()卸载 。

uart_ops 结构体：是最底层的 uart 驱动接口函数，直接操作 uart 寄存器。

板载硬件：RS-232 / 485 ：都连接I.MX6ULL的 uart3 接口上

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7.6 USB 驱动

USB 只能主机与设备之间进行数据通信，主机与主机、设备与设备之间是不能通信的。在
一个 USB 系统中，仅有一个 USB 主机，但是可以有多个 USB 设备。

USB OTG ：增加一根 ID 线，通过 ID 线电平的高低判断，USB 作为主机（host）还是从机（device），高电平时，OTG设备从机模式，低电平时，主机模式

USB 描述符 ：描述 USB 信息（设备描述符、配置描述符、字符串描述符、接口描述符、端口描述符）

8. 编译命令

8.1 GCC 编译器

格式： gcc [选项] [文件名字] arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp

解释：将 led.c 文件编译为 led 文件，这个 led 类似于 Windows下的exe可执行文件，led文件是在ARM下的可执行文件，可以用./led的命令来执行。

9. 字符驱动移植过程

SPI 通讯协议是没有设备地址的，它是通过片信号来寻址的。主机通过不同的片选信号选择需要通信的从机设备。

IIC 通讯协议是有设备地址的（一般是 8位） ，其中最高位是读写标志位，剩下的7位是根据硬件设计来的。

9.1 AHT10 温湿度传感器

输入电压范围：2.3V至3.3V

基于iic 总线模式，温度范围 -40~85℃，精度±0.5℃；湿度范围：0% - 100% 精度为±3%RH

I.MX开发板有4路I2C接口，板载已经使用I2C1接口连接了一个距离传感器AP3216C。自己准备用I2C2接口驱动AHT10温湿度传感器。

修改设备树文件

首先，我想使用I2C2_SCL 和 I2C2_SDA 这两个引脚，需要将 UART5_RX_DATA 复用为I2C2_SDA，UART5_TX_DATA 复用为I2C2_SCL，因此修改引脚的复用和电气属性值为以下：

#define MX6UL_PAD_UART5_TX_DATA__I2C2_SCL                          0x00BC 0x0348 0x05AC 0x2 0x2
#define MX6UL_PAD_UART5_RX_DATA__I2C2_SDA                          0x00C0 0x034C 0x05B0 0x2 0x2
mux_reg    conf_reg      input_reg      mux_mode      input_val
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其中，input_reg的值如下：

pinctrl_i2c2: i2c2grp {
			fsl,pins = <
				MX6UL_PAD_UART5_TX_DATA__I2C2_SCL 0x4001b8b0
				MX6UL_PAD_UART5_RX_DATA__I2C2_SDA 0x4001b8b0
			>;
		};
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在 i2c2 节点追加 aht10 子节点

查找 aht10 的技术手册，ATH10的器件地址为0x38，然后它的读写指令格式就是：设备地址(7bit)+ SDA方向位(1bit)，其中方向位读R：1，写W：0

&i2c2 {
	clock-frequency = <100000>;
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c2>;
	status = "okay";

	aht10@38 {
		compatible = "alientek,aht10";
		reg = <0x38>;
	};
};
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验证设备树：

/sys/bus/i2c/devices 目录下有 1-0038 的子目录，38就是设备地址，检查目录下的name文件，确实是自己修改的 ath10

初始化以及读写流程

先发送设备地址的 0x38 的 00111000 低7bit 和 一个写标志位 0，因此发送的8个bit为：0111_0000 = 0x70

分别发送 0x70 0xe1 0x08 0x00 0xac

读数据时，先发送 0x70（写命令）、在发送0xac 0x33 0x00 延时一会，在发送0x71（读命令） ，然后开始读取数据

写数据时，先发送0x70

• 初始化过程：

先发送 0x71，读取一个byte的状态，通过bit[3]判断，是否已经校准，若未，

发送 E1 08 00，初始化传感器

• 数据收发

读取数据时，先发送AC 33 00，触发测量，然后MCU等待80ms时间，传感器要采集处理数据，延时后读取6个字节的数据，从后5个字节中解析出温湿度数据来

注意：以上自己都是用的i2c1接口，用i2c接口测试的时候，读写数据都是失败的。

9.2 MS5611传感器

9.2.1 SPI接口

MS5611支持SPI和I2C通信，可以通过上拉PS引脚（ Protocol Select）选择I2C协议，下拉PS引脚则选择SPI协议

• iic模式时，接线如下：

  PS接高电平，复用为iic模式，CSB接地，设备地址为0xee

• SPI模式下：

  MS5611	cpu引脚 （以下是开发板的 SPI3接口）
  VCC	3.3v
  GND	GND
  CSB (片选信号，低电平有效)	UART2_TX_DATA
  PS	GND (下拉ps引脚选择SPI模式)
  SCLK (时钟信号)	UART2_RX_DATA
  SDA（SDI）	UART2_CTS_B
  SDO	UART2_RTS_B

允许工作在SPI的模式0和3，CSB片选引脚用来控制芯片的使能/禁用

执行ADC Read指令后会返回一个24-bit结果，只信你个 PROM read返回一个16-bit结果。

初始化：

重启芯片，然后从PROM读取出厂校准值

启动温度AD转换，读取AD值

启动气压AD转换，读取AD值

计算真实气压和温度值

计算海拔值

参考博客：https://blog.csdn.net/xhj1021/article/details/123863255

https://blog.csdn.net/qq_34430371/article/details/103870968?spm=1001.2101.3001.6661.1&utm_medium=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7ERate-1-103870968-blog-123863255.pc_relevant_multi_platform_whitelistv4eslandingctr2&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7ERate-1-103870968-blog-123863255.pc_relevant_multi_platform_whitelistv4eslandingctr2&utm_relevant_index=1

9.2.2 IIC接口

接线：

设备地址：0xee 因为将csb引脚 拉低了。

读取 prom中 的值：

10. 设备驱动

与字符设备的区别：

• 块设备是以块为单位进行读写访问的，需要数据缓冲（在缓冲区暂存数据，时机成熟后再将缓冲区的数据一次性写入块设备中）；
• 字符设备是以字节为单位进行数据传输的，不需要缓冲；

驱动框架：

• 用 block_device 结构体表示块设备，定义在include/linux/fs.h 文件中
• 用 gendisk 结构体来描述一个磁盘设备，定义在 include/linux/genhd.h
  中，
• 用 block_device_operations 结构体表示块设备的操作集，定义在 include/linux/blkdev.h 中