• 树莓派（十二）树莓派驱动开发入门：从读懂框架到自己写驱动（下）

    嵌入式之路，贵在日常点滴

                                                                    ---阿杰在线送代码

    目录

    一、3个地址的介绍

    微机总线地址 

    物理地址

    虚拟地址

    虚拟地址的作用：

    树莓派3b的cpu型号是

    二、 简单了解地址框图与内核的页表映射

    三、实战：操作IO口输出高 / 低电平

    1.芯片手册导读

    配置引脚 输入 / 输出 

    配置引脚输出是 0 还是 1 

    清除 0 / 1 状态 

    整理关键内容 

    2.配置3个主要的寄存器地址

    ①在原来框架的基础上，添加寄存器的定义

    弄清楚寄存器的分组

    volatile的使用（笔试）

    ②配置寄存器的地址

    物理地址转换为虚拟地址：ioremap函数

    3.进行功能配置

    ①在函数pin4_open中配置pin4为输出引脚

    ②在函数pin4_write中配置pin4输出 0 / 1

    根据值来操作IO口 

    4.解除虚拟地址映射

    退出程序卸载驱动的时候，解除映射：iounmap函数

    5.完整代码

    内核驱动框架

    上层应用程序 

    6.交叉编译并发送至树莓派

    ①树莓派上卸载之前的pin4驱动，删除上层应用文件和.ko文件

    ②框架和上层应用程序在Ubuntu中进行交叉编译并发送至树莓派 

    7.装载驱动 

    8.运行上层应用文件 

    驱动运行失败：学会调试

    有关驱动代码里面GPIO口地址的问题：​

    其他 

    简单了解：DMA（direct memory access）（直接存储器访问）

    md5sum检查两个文件是否完全一样

    如何清空vi文件下所有的内容 

     

    一、3个地址的介绍

    有关各种地址介绍的博文：

    物理地址、虚拟地址、总线地址
    物理地址和总线地址区别

    写驱动是为了操作IO口，实现自己的wiringpi库，跟硬件打交道。

    首先要理解以下3个地址的概念：

    微机总线地址 

    通俗来说：cpu能够访问的内存范围 

    现象：电脑装了32位的系统，明明内存条有8G，却只能识别3.8G左右，这是因为32位仅能表示/访问2^32^=4,294,967,296bit=4,194,304Kb=4096Mb=4G左右。只有装了64位的，才能够识别到8G。 

    树莓派装载32位操作系统，寻址自然是4G。

    树莓派的内存

    cat /proc/meminfo

    大概是927M

     

    物理地址

    硬件实际地址或绝对地址

    虚拟地址

    逻辑地址（基于算法的地址，软件层面的地址，是假地址）便称为虚拟地址

    虚拟地址的作用：

    以树莓派为例，总线可以访问4G，物理地址只有1G，但需要运行的程序＞1G，如果把程序全部都加载到内存是不可取的。

    物理地址数据的运行真正是拿虚拟地址来操作的，虚拟地址可以比1G大，总线地址能看到4个G，就可以把1个G的物理地址映射成4个的虚拟地址。当物理地址不能满足程序运行空间需求时，如果没有虚拟地址，程序就不能正常运行。

    树莓派3b的cpu型号是

    cat /proc/cpuinfo

    BCM2835，它是ARM-cotexA53架构 

     

    二、 简单了解地址框图与内核的页表映射

    BCM2835是树莓派3B CPU的型号，是ARM-cotexA53架构 

    cpu Bus是地址总线，00000000~FFFFFFFF是CPU寻址的范围（4G） 

    DMA是高速拷贝单元，CPU可以发动DMA直接让DMA进行数据拷贝，直接内存访问单元。

    物理地址（PA）1G、虚拟地址（VA）4G

    若程序大于物理地址1G,是不是就跑不了了，不是的，它有个MMU的单元，把物理地址映射成虚拟地址，我们操作的代码基本上都是在虚拟地址，它有一个映射页表（如下）

    物理地址的1M通过扩充映射成为4M的虚拟地址，这中间有个设计的算法叫页表。

    这个表决定了这个4M被映射到虚拟内存的哪一个段，通过MMU进行管理。 

    将虚拟地址映射为物理地址有一个算法（页表）决定了将虚拟地址映射到物理地址的哪个位置，页表是通过MMU（分页内存管理单元）来管理的，就是设计完页表后通过MMU来执行将虚拟地址映射为物理地址。 

    MMU：Memory Management Unit 

    三、实战：操作IO口输出高 / 低电平

    之前驱动框架的代码仅仅用来检测、走一遍整个驱动的架构。那么在这一个小节，将着手实现pin4引脚输出高 / 低电平。

    驱动开发两大利器：芯片手册和电路图（电路图主要用来寻找寄存器，树莓派的芯片手册清楚地给出了各个寄存器，所以电路图很难找到）。

    1.芯片手册导读

    General Purpose I/O (GPIO)板块

    查看芯片手册的目的性很强：做哪一块的开发，就只看那一块，现在要开发的是GPIO，熟悉控制IO口的寄存器最为重要。

    如果看完这部分的文档，你对于以下几个问题（后面有解析）有清晰的答案，说明你真正读懂了这一部分的开发。

    ①操作逻辑：简言之就是怎么进行配置相关寄存器，这些配置步骤和思想其实都很类似。
    ②需要重点掌握的寄存器有哪些？

    例如输入 / 输出控制寄存器

    输出 0 / 1控制寄存器

    清除状态寄存器

    捕捉信息

    在新的平台也要学会捕捉类似的关键信息：选择输入还是输出，0/1,怎么清除，上升沿下降沿等。（配置过32 / 51寄存器的应该对这些很熟悉）

    从下图中可以大概了解到所有的IO口被分成了0~5组。 

    在这里插入图片描述

    描述部分也很重要，大多涉及使用方法 

     

    配置引脚 输入 / 输出 

    总共有6个组（0组~5组）

    pin0-pin9 0组

     

    pin10-pin19 1组 

    pin20-pin29 2组 

    pin30-pin39 3组 

    pin40-pin49 4组 

    pin50-pin53 5组 

     

    IO编号要看好

    配置引脚输出是 0 还是 1 

    清除 0 / 1 状态 

    整理关键内容 

    通过文档阅读，可以整理出关键的信息： 

    有3个最基本的要清楚：
    ①选择IO是 输入 / 输出控制寄存器：GPFSEL
    ②输出0 / 1寄存器：GPSET
    ③清除寄存器:GPCLR 

    操作逻辑:
    以GPFSEL0寄存器举例，要操作的引脚为pin4,其对应的分组为0。只要在这个分组下，把14-12位设置为001，就能配置pin4引脚为输出。 

    总之还是要自己多看多翻阅，这里仅为简单的导读。 

    2.配置3个主要的寄存器地址

    ①在原来框架的基础上，添加寄存器的定义

    1. volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
    2. volatile unsigned int* GPSET0  = NULL;
    3. volatile unsigned int* GPCLR0  = NULL;

    要想写出上面的代码，要掌握以下几点： 

    弄清楚寄存器的分组

    其中寄存器的0表示的是分组，目标操作的IO是pin4,由文档可知，属于寄存器分组0。

    volatile的使用（笔试）

    加volatile在此处是 ： 防止编译器优化（可能是省略，也可能是更改）这些寄存器变量，常见于在内核中对IO口进行操作。

    volatile的作用是作为指令关键字，确保本条 指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值

    ②配置寄存器的地址

    在①的基础上，在驱动的初始化pin4_drv_init中添加寄存器地址配置

    1. GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);
    2. GPSET0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
    3. GPCLR0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);

    要想写出上面的代码，要掌握以下几点：

    分别找到几个IO寄存器的物理地址（非常易错）

    弄清楚GPIO的物理地址（真实地址）

    并不是用下图这个地址来对应GPIO功能选择寄存器０的地址，否则编译后运行会有段错误。

    在这里插入图片描述

    IO口的起始地址是0x3f000000,加上GPIO的偏移量0x2000000,所以GPIO的实际物理地址应该是从0x3f200000开始的，然后在这个基础上进行Linux系统的MMU内存虚拟化管理，映射到虚拟地址上，编程都是操作虚拟地址。 

    根据偏移值，弄清楚寄存器的物理地址（真实地址）

    可以看到寄存器GPSET0相对于GPIO物理地址的偏移值为1C。即0x3f20001C在这里插入图片描述

    同样的方法，寄存器GPCLR0的偏移值为28,即0x3f200028

    寄存器GPFSEL0的偏移值为0，即0x3f200000

    物理地址转换为虚拟地址：ioremap函数

    因为代码操作的是虚拟地址，代码中直接用物理地址肯定不行，需要进行转换,将IO口寄存器映射成普通内存单元进行访问。

    使用函数ioremap:

    函数原型：void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size)
    phys_addr：要映射的起始的IO物理地址；
    size：要映射的空间的大小； 

    3.进行功能配置

    ①在函数pin4_open中配置pin4为输出引脚

    可以看到只要32位寄存器GPFSEL0的14-12位配置为001，其它位不管，即可配置pin4为输出引脚

    在这里插入图片描述

    当然直接暴力赋值（0000…001…0000）是不可取的，会把其他的IO口给影响。最好的结果是只改变了14-12位。

    运用与（&） / 或（|）运算进行位操作 

    1. *GPFSEL0 &= ~(0x6 << 12);
    2. *GPFSEL0 |= (0x1 << 12);

    ②在函数pin4_write中配置pin4输出 0 / 1

    获取上层write函数的值:copy_from_user函数
    函数介绍
    unsigned long copy_from_user(void * to, const void __user * from, unsigned long n)

    此函数将from指针指向的用户空间地址开始的连续n个字节的数据产送到to指针指向的内核空间地址，简言之是用于将用户空间的数据传送到内核空间

    第一个参数to是内核空间的数据目标地址指针，
    第二个参数from是用户空间的数据源地址指针，
    第三个参数n是数据长度。 

    如果数据拷贝成功，则返回零；否则，返回没有拷贝成功的数据字节数。 

    根据值来操作IO口 

    1. int userCmd;上层写的是整型数1，底层就要对应起来用int.如果是字符则用char
    2.  
    3. copy_from_user(&userCmd,buf,count);
    4.  
    5. if(userCmd == 1){
    6. 	printk("set 1\n");
    7. 	*GPSET0 |= 0x1 << 4;
    8. }else if(userCmd == 0){
    9. 	printk("set 0\n");
    10. 	*GPCLR0 |= 0x1 << 4;
    11. }else{
    12. 	printk("cmd error\n");
    13. }

    说明（这也是操作逻辑的一部分啦）：
    ①这个GPSET0，0指的是分组，不是设置成低电平。
    ②左移4位，是因为GPSET0寄存器的第4位对应pin4,只要把第4位设置为1，表示这个寄存器就对pin4发挥作用，设置成高电平，如果是0则 no effct（手册内容）。 

    4.解除虚拟地址映射

    退出程序卸载驱动的时候，解除映射：iounmap函数

    void iounmap（void* addr）//取消ioremap所映射的IO地址 

    1. iounmap(GPFSEL0);
    2. iounmap(GPSET0);
    3. iounmap(GPCLR0);

    5.完整代码

    内核驱动框架

    1. #include 		 //file_operations声明
    2. #include     //module_init  module_exit声明
    3. #include       //__init  __exit 宏定义声明
    4. #include 	 //class  devise声明
    5. #include    //copy_from_user 的头文件
    6. #include      //设备号  dev_t 类型声明
    7. #include           //ioremap iounmap的头文件
    8.  
    9. static struct class *pin4_class;  
    10. static struct device *pin4_class_dev;
    11.  
    12. static dev_t devno;                //设备号
    13. static int major =231;  		   //主设备号
    14. static int minor =0;			   //次设备号
    15. static char *module_name="pin4";   //模块名
    16.  
    17. volatile unsigned int* GPFSEL0 = NULL;
    18. volatile unsigned int* GPSET0  = NULL;
    19. volatile unsigned int* GPCLR0  = NULL;
    20.  
    21. //pin4_open函数
    22. static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
    23. {
    24.     printk("pin4_open\n");  //内核的打印函数，和printf类似
    25.     //open的时候配置pin4为输出引脚
    26.     *GPFSEL0 &= ~(0x6 << 12);
    27. 	*GPFSEL0 |= (0x1 << 12);
    28.     
    29.     return 0;
    30. }
    31.  
    32. //pin4_write函数
    33. static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
    34. {
    35. 	int userCmd;//上层写的是整型数1，底层就要对应起来用int.如果是字符则用char
    36.  
    37. 	printk("pin4_write\n");
    38. 	//获取上层write的值
    39. 	copy_from_user(&userCmd,buf,count);//用户空间向内核空间传输数据
    40. 	
    41. 	//根据值来执行操作
    42. 	if(userCmd == 1){
    43. 		printk("set 1\n");
    44. 		*GPSET0 |= 0x1 << 4;
    45. 	}else if(userCmd == 0){
    46. 		printk("set 0\n");
    47. 		*GPCLR0 |= 0x1 << 4;
    48. 	}else{
    49. 		printk("cmd error\n");
    50. 	}
    51. 	
    52.     return 0;
    53. }
    54.  
    55. static struct file_operations pin4_fops = {
    56.  
    57.     .owner = THIS_MODULE,
    58.     .open  = pin4_open,
    59.     .write = pin4_write,
    60. };
    61.  
    62. int __init pin4_drv_init(void)   //驱动的真正入口
    63. {
    64.  
    65.     int ret;
    66.     printk("insmod driver pin4 success\n");
    67.     devno = MKDEV(major,minor);  //创建设备号
    68.     ret   = register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops);  //注册驱动  告诉内核，把这个驱动加入到内核驱动的链表中
    69.  
    70.     pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");  //由代码在/dev下自动生成设备
    71.     pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);  //创建设备文件
    72.  
    73. 	GPFSEL0 = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);
    74. 	GPSET0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
    75. 	GPCLR0  = (volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
    76.  	
    77.  	return 0;
    78. }
    79.  
    80. void __exit pin4_drv_exit(void)//可以发现和init刚好是相反的执行顺序。
    81. {
    82. 	iounmap(GPFSEL0);
    83. 	iounmap(GPSET0);
    84. 	iounmap(GPCLR0);
    85. 	
    86.     device_destroy(pin4_class,devno);
    87.     class_destroy(pin4_class);
    88.     unregister_chrdev(major, module_name);  //卸载驱动
    89.  
    90. }
    91.  
    92. module_init(pin4_drv_init);  //入口:内核加载驱动的时候，这个宏会被调用，而真正的驱动入口是它调用的函数
    93. module_exit(pin4_drv_exit);
    94. MODULE_LICENSE("GPL v2");

    上层应用程序 

    1. #include 
    2. #include 
    3. #include 
    4. #include 
    5.  
    6. int main()
    7. {
    8.         int fd;
    9.         int cmd;
    10.  
    11.         fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);
    12.         if(fd < 0){
    13.                 printf("open failed\n");
    14.                 perror("reson");
    15.         }else{
    16.                 printf("open success\n");
    17.         }
    18.  
    19.         printf("请输入0 / 1\n 0:设置pin4为低电平\n 1:设置pin4为高电平\n");
    20.         scanf("%d",&cmd);
    21.  
    22.         if(cmd == 0){
    23.                 printf("pin4设置成低电平\n");
    24.         }else if(cmd == 1){
    25.                 printf("pin4设置成高电平\n");
    26.         }
    27.  
    28.         fd = write(fd,&cmd,1);//写一个字符'1',写一个字节
    29.         return 0;
    30. }
    31.

    6.交叉编译并发送至树莓派

    ①树莓派上卸载之前的pin4驱动，删除上层应用文件和.ko文件

    sudo rmmod pin4drive

    用lsmod查看是否卸载成功。 

    ②框架和上层应用程序在Ubuntu中进行交叉编译并发送至树莓派 

    此文（二.3：在Ubuntu上交叉编译） 有涉及，一样的操作不再赘述。 

    注意：

    因为在上文（ 二、3,4）中，树莓派上已经有来自Ubuntu发送过来的上层文件pin4test和驱动文件.ko。

    而在Ubuntu的/char目录下也因为模块编译生成了.ko ,.mod等文件

    但这都没关系，直接复制上文新的驱动框架，新的上层代码，打开原来的2个.c文件（在上文 二.3 中创建的），覆盖。之后进行交叉编译，新生成的文件会覆盖掉原来的文件。 

    框架交叉编译后：
    红色框表示编译生成了需要的模块
    而蓝色框的警告可以不用理会（copy_form_user前两个参数传入的是空类型的指针，在框架代码中没有进行强制转换）

    pin4_drv_init函数是在demsg后被调用

     

    7.装载驱动 

    sudo insmod pin4driver.ko

    用dmesg可以看到内核打印出“驱动装载成功”（打印信息来自框架代码） 

     

    给权限 

    sudo chmod 666 /dev/pin4

    8.运行上层应用文件 

    ./pin4test

    驱动成功运行 

    输入1时，用命令gpio readall查看pin4引脚变化，应为OUT 1 

    输入0时，再用命令gpio readall查看pin4引脚变化，应为OUT 0 

    用dmesg打开内核打印界面，可以看到内核的printk已经被调用，配置执行。 

    驱动运行失败：学会调试

    当然，很多情况下不是直接就能够成功运行的，学会调试很重要。

    出问题先看上层（因为上层简单，好修改），后看底层。

    Mode我们配置的是输出模式，如果是IN，或者ALT2等，说明底层的模式配置出了问题，大多是寄存器的移位没搞明白。

    多看看内核的打印信息，write打印信息，变量的值等等。
      

    有关驱动代码里面GPIO口地址的问题：
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述 

    • 7Ennnnn意思是7E00000到7EFFFFFF，F2000000是3F000000映射的虚拟地址，然后7E00000和F200000对应，芯片手册里面使用的是和虚拟地址F200000有着对应关系的地址——7E00000，芯片手册上面地址偏移多少物理地址就偏移多少
    • 根据上方图片描述，外设的物理地址范围是m 0x3F000000 to 0x3FFFFFFF，所以你看到的7E200000对应的实际物理地址应该是0x3F000000 + （7E200000-7E000000）
    • GPFSEL0=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4); GPSET0 =(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4); GPCLR0 =(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
    • 0x3f200000，0x3f20001C，0x3f200028是物理地址，树莓派的外设空间的起始地址是0x3f000000，根据芯片手册可知对应寄存器的偏移量为,比如GPFSEL0寄存器的实际地址是0x3f200000=0x3F000000 + （7E200000-7E000000）
    • 然后通过数据手册可以看到，树莓派相关寄存器的总线地址（和映射的虚拟地址有某种对应关系的地址）进而可得知偏移量，如下图所示：

    在这里插入图片描述

    其他 

    简单了解：DMA（direct memory access）（直接存储器访问）

    在这里插入图片描述

    大数据的快速拷贝单元。

    使用cp指令拷贝大文件会很大程度占用CPU资源，DMA是专门用来做协助数据拷贝的微控制器，CPU可以发动DMA使其进行数据的拷贝。

    md5sum检查两个文件是否完全一样

    多用于检测原来的“同名”文件是否已经被新的替代，也可以用作检查拷贝过程中是否损坏。

    md5sum file.c

    唯一标识，相同则两个文件为同一文件
     

    如何清空vi文件下所有的内容 

    在命令模式下，首先执行 gg 这里是跳至文件首行

    再执行：dG 这样就清空了整个文件！  

  • 相关阅读:
    【数据分享】2006-2021年我国城市级别的市容环境卫生相关指标（20多项指标）
    驱动开发：内核中的自旋锁结构
    XPS—专项文献阅读-科学指南针
    PyCharm因安装了illuminated Cloud插件导致加载项目失败
    【七大排序算法】插入排序、希尔排序、选择排序、冒泡排序、堆排序、快速排序、归并排序
    XXL-Job分布式任务调度框架-知识点汇总5
    TortoiseGit设置作者信息和用户名、密码存储
    WPF中prism模块化
    640.Solve the Equation
    分享一些我的远程办公经验
  • 原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_50546241/article/details/126528016