跳至主要內容

LED驱动开发

破碎的山岚2025/9/24大约 10 分钟linux

LED驱动开发

前置

真正的Linux驱动

要先实现MMU映射，用虚拟地址操控实际地址

//__iomem 是在编译的时候用的

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */

static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
/* 1、寄存器地址映射 */

IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);//CCM_CCGR1_BASE将这个映射成IMX6U_CCM_CCGR1

val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);

/* 2、使能GPIO1时钟 */

writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);
 register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);

把写的函数也指进去了

注意

vscode的c_cpp配置，要多加这几个防止报错

 "includePath": [
        "${workspaceFolder}/**",
        "/home/hqyj/I.MX6ULL/linux_kernel/include",
        "/home/hqyj/I.MX6ULL/linux_kernel/arch/arm/include",
        "/home/hqyj/I.MX6ULL/linux_kernel/arch/arm/include/generated/",

Linux 内核 VFS（虚拟文件系统）的基石

struct inode

inode（索引节点）是文件在磁盘上的静态信息。只要文件存在，它就有唯一的 inode

struct inode 里存的都是文件的“元数据”，比如：

  • i_mode：文件的类型和权限（是普通文件、目录还是设备文件？可读可写？）
  • i_uid / i_gid：文件的所有者和所属组
  • i_rdev：这是设备驱动的关键字段！如果文件是设备文件，i_rdev 里存的就是设备号（主设备号+次设备号）。驱动需要通过它区分同类设备中的第几个（比如你用次设备号 0 还是 1）。
  • i_fop：指向 struct file_operations 的指针，也就是你填的那张“合同”。
  • i_cdev：对于字符设备，指向 struct cdev 结构体，直接关联到你的驱动对象。

它负责回答：“这是哪种文件？它对应哪个驱动？权限是什么


struct inode {
	umode_t			i_mode;
	unsigned short		i_opflags;
	kuid_t			i_uid;
	kgid_t			i_gid;
	unsigned int		i_flags;

#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
	struct posix_acl	*i_acl;
	struct posix_acl	*i_default_acl;
#endif

	const struct inode_operations	*i_op;
	struct super_block	*i_sb;
	struct address_space	*i_mapping;

#ifdef CONFIG_SECURITY
	void			*i_security;
#endif

	/* Stat data, not accessed from path walking */
	unsigned long		i_ino;
	/*
	 * Filesystems may only read i_nlink directly.  They shall use the
	 * following functions for modification:
	 *
	 *    (set|clear|inc|drop)_nlink
	 *    inode_(inc|dec)_link_count
	 */
	union {
		const unsigned int i_nlink;
		unsigned int __i_nlink;
	};
	dev_t			i_rdev;
	loff_t			i_size;
	struct timespec		i_atime;
	struct timespec		i_mtime;
	struct timespec		i_ctime;
	spinlock_t		i_lock;	/* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
	unsigned short          i_bytes;
	unsigned int		i_blkbits;
	blkcnt_t		i_blocks;

#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
	seqcount_t		i_size_seqcount;
#endif

	/* Misc */
	unsigned long		i_state;
	struct mutex		i_mutex;

	unsigned long		dirtied_when;	/* jiffies of first dirtying */
	unsigned long		dirtied_time_when;

	struct hlist_node	i_hash;
	struct list_head	i_wb_list;	/* backing dev IO list */
	struct list_head	i_lru;		/* inode LRU list */
	struct list_head	i_sb_list;
	union {
		struct hlist_head	i_dentry;
		struct rcu_head		i_rcu;
	};
	u64			i_version;
	atomic_t		i_count;
	atomic_t		i_dio_count;
	atomic_t		i_writecount;
#ifdef CONFIG_IMA
	atomic_t		i_readcount; /* struct files open RO */
#endif
	const struct file_operations	*i_fop;	/* former ->i_op->default_file_ops */
	struct file_lock_context	*i_flctx;
	struct address_space	i_data;
	struct list_head	i_devices;
	union {
		struct pipe_inode_info	*i_pipe;
		struct block_device	*i_bdev;
		struct cdev		*i_cdev;
	};

	__u32			i_generation;

#ifdef CONFIG_FSNOTIFY
	__u32			i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */
	struct hlist_head	i_fsnotify_marks;
#endif

	void			*i_private; /* fs or device private pointer */
};

struct file？

struct file 是每次打开文件时动态生成的“会话记录”。同一个文件可以被多个进程打开，产生多个 struct file。

struct file 里存的是“运行时的状态”，比如：

  • f_flags：打开文件时的标志，如 O_RDONLY / O_RDWR。
  • f_mode：通过 f_mode & FMODE_READ 可判断用户是否以读方式打开。
  • f_pos：当前文件读写位置（lseek 就是改这个）。
  • f_op：通常和 inode->i_fop 指向同一个 file_operations 结构体。
  • private_data：非常重要的“私有指针”。它是给驱动开发者保存每个会话专属数据的。在 open 函数里，可以把你的设备结构体地址赋值给 filp->private_data，然后在 read/write 中取出来用。
  • f_inode：反向指向对应的 struct inode。

它负责记录：“谁打开的？读写到哪个位置了？驱动想记的临时信息是什么？”

struct file {
	union {
		struct llist_node	fu_llist;
		struct rcu_head 	fu_rcuhead;
	} f_u;
	struct path		f_path;
	struct inode		*f_inode;	/* cached value */
	const struct file_operations	*f_op;

	/*
	 * Protects f_ep_links, f_flags.
	 * Must not be taken from IRQ context.
	 */
	spinlock_t		f_lock;
	atomic_long_t		f_count;
	unsigned int 		f_flags;
	fmode_t			f_mode;
	struct mutex		f_pos_lock;
	loff_t			f_pos;
	struct fown_struct	f_owner;
	const struct cred	*f_cred;
	struct file_ra_state	f_ra;

	u64			f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
	void			*f_security;
#endif
	/* needed for tty driver, and maybe others */
	void			*private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL
	/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
	struct list_head	f_ep_links;
	struct list_head	f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
	struct address_space	*f_mapping;
} __attribute__((aligned(4)));	/* lest something weird decides that 2 is OK */

struct file_handle {
	__u32 handle_bytes;
	int handle_type;
	/* file identifier */
	unsigned char f_handle[0];
};

Linux 驱动 read 和 write 函数的标准接口

static ssize_t led_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t cnt,loff_t *offt)
{
       
}

1. char __user *buf

  • 含义：指向用户空间缓冲区的指针。
  • __user 标记：这是一个编译器和静态检查工具的标记，表示这个指针指向的是用户空间地址，绝对不能在内核中直接解引用。如果直接访问（如 *buf），轻则引发内核 oops，重则造成安全漏洞（恶意程序可以传入内核地址来读取内核数据）。
  • 正确操作：必须使用专用的跨空间拷贝函数：
    • 读取用户数据：copy_from_user(kernel_buf, buf, cnt)
    • 写入用户数据：copy_to_user(buf, kernel_buf, cnt)

2.size_t cnt

  • 含义：应用程序请求读/写的字节数。
  • 来源：来自用户调用的 read(fd, buf, 100) 中的 100。
  • 限制：你不能盲目使用 cnt。如果内核实际可用数据少于 cnt，要返回实际读取/写入的字节数，不能越界。
  • 常见操作：
    • 读操作：cnt = min(cnt, available_data_len); 然后再拷贝给用户。
    • 写操作：直接使用 cnt 作为 copy_from_user 的长度参数，但可能需要判断是否溢出。

3. loff_t *offt

  • 含义：文件当前的读写位置偏移量的指针。
  • 作用：类似于普通文件的“光标位置”。对于大多数字符设备（如串口、LED），这个参数通常不需要，因为它没有物理上的存储位置，可以直接忽略。但对于存储类设备（如 EEPROM、Flash），需要：
    • 根据 *offt 决定从设备哪个位置开始读写。
    • 读写完成后更新 *offt（例如 *offt += n），告诉内核当前读写位置移动了多少。

4.__init __exit

__init 是 Linux 内核中的一个宏，用来标记只在驱动初始化阶段使用一次的函数或数据

内核模块加载成功后，初始化函数（chrdevbase_init）的代码就再也不会被调用了，但它仍然占用内存。
加上 __init 后，链接器会把这个函数的代码放到一个特殊的 .init.text 段里。

结果：内核在初始化阶段全部完成后，会把 .init 相关的段全部释放掉，回收内存。这在内核这种对内存寸土寸金的环境里非常重要。

同样，__exit 标记的函数（卸载函数）如果内核配置为不支持模块卸载，也会被自动丢弃；如果支持卸载，则保留在 .exit.text 段，模块卸载后才可能被释放。

注意：要注册到内核的函数的签名必须要和对应函数指针的签名一样

image-20260710155720667
image-20260710155720667

代码例子

#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>
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名		: led.c
作者	  	: 左忠凯
版本	   	: V1.0
描述	   	: LED驱动文件。
其他	   	: 无
论坛 	   	: www.openedv.com
日志	   	: 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************/
#define LED_MAJOR		200		/* 主设备号 */
#define LED_NAME		"led" 	/* 设备名字 */

#define LEDOFF 	0				/* 关灯 */
#define LEDON 	1				/* 开灯 */
 
/* 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)

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

/*
 * @description		: LED打开/关闭
 * @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
 * @return 			: 无
 */
void led_switch(u8 sta)
{
	u32 val = 0;
	if(sta == LEDON) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val &= ~(1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}else if(sta == LEDOFF) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val|= (1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}	
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
 */
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
 */
static ssize_t led_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;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations led_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	int retvalue = 0;
	u32 val = 0;

	/* 初始化LED */
	/* 1、寄存器地址映射 */
  	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
	SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
  	SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
	GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);

	/* 2、使能GPIO1时钟 */
	val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
	val &= ~(3 << 26);	/* 清楚以前的设置 */
	val |= (3 << 26);	/* 设置新值 */
	writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
	 *    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
	 */
	writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
	
	/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性
	 *bit 16:0 HYS关闭
	 *bit [15:14]: 00 默认下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 关闭开路输出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
	 */
	writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);

	/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
	val = readl(GPIO1_GDIR);
	val &= ~(1 << 3);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (1 << 3);	/* 设置为输出 */
	writel(val, GPIO1_GDIR);

	/* 5、默认关闭LED */
	val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);

	/* 6、注册字符设备驱动 */
	retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
	if(retvalue < 0){
		printk("register chrdev failed!\r\n");
		return -EIO;
	}
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	/* 取消映射 */
	iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
	iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
	iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
	iounmap(GPIO1_DR);
	iounmap(GPIO1_GDIR);

	/* 注销字符设备驱动 */
	unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

和字符设备一样的流程

先scp拷贝到板子，再加载，再创建驱动节点

depmod //第一次使用modprobe加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe led.ko //加载驱动

驱动加载成功以后创建“/dev/led”设备节点，命令如下：

mknod /dev/led c 200 0

驱动节点创建成功以后就可以使用 ledApp 软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令打
开 LED 灯：

./ledApp /dev/led 1 //打开 LED 灯

输入上述命令以后观察 I.MX6U-ALPHA 开发板上的红色 LED 灯是否点亮，如果点亮的话
说明驱动工作正常。在输入如下命令关闭 LED 灯：

./ledApp /dev/led 0 //关闭 LED 灯

输入上述命令以后观察 I.MX6U-ALPHA 开发板上的红色 LED 灯是否熄灭，如果熄灭的话
说明我们编写的 LED 驱动工作完全正常！至此，我们成功编写了第一个真正的 Linux 驱动设备
程序。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod led.ko
最近更新:
贡献者: 扶柳人间()