41.1 Linux 下 LED 灯驱动原理
Linux 下的任何外设驱动，最终都是要配置相应的硬件寄存器。所以本章的 LED 灯驱动最
终也是对 I.MX6ULL 的 IO 口进行配置，与裸机实验不同的是，在 Linux 下编写驱动要符合 Linux
的驱动框架。
41.1.1 地址映射
在编写驱动之前，我们需要先简单了解一下 MMU 这个神器， MMU 全称叫做 Memory
Manage Unit，也就是内存管理单元。在老版本的 Linux 中要求处理器必须有 MMU，但是现在
Linux 内核已经支持无 MMU 的处理器了。 MMU 主要完成的功能如下：
①、完成虚拟空间到物理空间的映射。
②、内存保护，设置存储器的访问权限，设置虚拟存储空间的缓冲特性。
我们重点来看一下第①点，也就是虚拟空间到物理空间的映射，也叫做地址映射。首先了
解两个地址概念：虚拟地址(VA,Virtual Address)、物理地址(PA， Physcical Address)。对于 32 位
的处理器来说，虚拟地址范围是 2^32=4GB，我们的开发板上有 512MB 的 DDR3，这 512MB 的
内存就是物理内存，经过 MMU 可以将其映射到整个 4GB 的虚拟空间。
物理内存只有 512MB，虚拟内存有 4GB，那么肯定存在多个虚拟地址映射到同一个物理地
址上去，虚拟地址范围比物理地址范围大的问题处理器自会处理，这里我们不要去深究，因为
MMU 是很复杂的一个东西。
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 。 比 如 I.MX6ULL 的 GPIO1_IO03 引 脚 的 复 用 寄 存 器
IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 的地址为 0X020E0068。如果没有开启 MMU 的话
直接向 0X020E0068 这个寄存器地址写入数据就可以配置 GPIO1_IO03 的复用功能。现在开启
了 MMU，并且设置了内存映射，因此就不能直接向 0X020E0068 这个地址写入数据了。我们必
须得到 0X020E0068 这个物理地址在 Linux 系统里面对应的虚拟地址，这里就涉及到了物理内
存和虚拟内存之间的转换，需要用到两个函数： ioremap 和 iounmap。
1、 ioremap 函数
ioremap 函 数 用 于 获 取 指 定 物 理 地 址 空 间 对 应 的 虚 拟 地 址 空 间 ， 定 义 在
arch/arm/include/asm/io.h 文件中，定义如下：
示例代码 41.1.1.1 ioremap 函数
1 #define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size),MT_DEVICE)
2 void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size,unsigned int mtype)
4 {
5 return arch_ioremap_caller(phys_addr, size, mtype,__builtin_return_address(0));
6 }
ioremap 是个宏，有两个参数： cookie 和 size，真正起作用的是函数__arm_ioremap，此函
数有三个参数和一个返回值，这些参数和返回值的含义如下：
phys_addr：要映射给的物理起始地址。
size：要映射的内存空间大小。
mtype： ioremap 的类型，可以选择 MT_DEVICE、 MT_DEVICE_NONSHARED、
MT_DEVICE_CACHED 和 MT_DEVICE_WC， ioremap 函数选择 MT_DEVICE。
返回值： __iomem 类型的指针，指向映射后的虚拟空间首地址。
假如我们要获取 I.MX6ULL 的 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 寄存器对应
的虚拟地址，使用如下代码即可：
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068)
static void __iomem* SW_MUX_GPIO1_IO03;
SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
宏 SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE 是寄存器物理地址， SW_MUX_GPIO1_IO03 是映射后
的虚拟地址。对于 I.MX6ULL 来说一个寄存器是 4 字节(32 位)的，因此映射的内存长度为 4。
映射完成以后直接对 SW_MUX_GPIO1_IO03 进行读写操作即可。
2、 iounmap 函数
卸载驱动的时候需要使用 iounmap 函数释放掉 ioremap 函数所做的映射， iounmap 函数原
型如下：
示例代码 41.1.1.2 iounmap 函数原型
void iounmap (volatile void __iomem *addr)
iounmap 只有一个参数 addr，此参数就是要取消映射的虚拟地址空间首地址。假如我们现
在要取消掉 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 寄存器的地址映射，使用如下代码
即可：
iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
41.1.2 I/O 内存访问函数
这里说的 I/O 是输入/输出的意思，并不是我们学习单片机的时候讲的 GPIO 引脚。这里涉
及到两个概念： I/O 端口和 I/O 内存。当外部寄存器或内存映射到 IO 空间时，称为 I/O 端口。
当外部寄存器或内存映射到内存空间时，称为 I/O 内存。但是对于 ARM 来说没有 I/O 空间这个
概念，因此 ARM 体系下只有 I/O 内存(可以直接理解为内存)。使用 ioremap 函数将寄存器的物
理地址映射到虚拟地址以后，我们就可以直接通过指针访问这些地址，但是 Linux 内核不建议
这么做，而是推荐使用一组操作函数来对映射后的内存进行读写操作。
1、读操作函数
读操作函数有如下几个：
示例代码 41.1.2.1 读操作函数
1 u8 readb(const volatile void __iomem *addr)
2 u16 readw(const volatile void __iomem *addr)
3 u32 readl(const volatile void __iomem *addr)
readb、 readw 和 readl 这三个函数分别对应 8bit、 16bit 和 32bit 读操作，参数 addr 就是要
读取写内存地址，返回值就是读取到的数据。
2、写操作函数
写操作函数有如下几个：
示例代码 41.1.2.2 写操作函数
1 void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr)
2 void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr)
3 void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr)
writeb、 writew 和 writel 这三个函数分别对应 8bit、 16bit 和 32bit 写操作，参数 value 是要
写入的数值， addr 是要写入的地址。
41.3 实验程序编写
本实验对应的例程路径为： 开发板光盘-> 2、 Linux 驱动例程-> 2_led。
示例代码 41.3.1.1 led.c 驱动文件代码
第 94~114 行， led_write 函数，实现对 LED 灯的开关操作，当应用程序调用 write 函数向
led 设备写数据的时候此函数就会执行。首先通过函数 copy_from_user 获取应用程序发送过来
的操作信息(打开还是关闭 LED)，最后根据应用程序的操作信息来打开或关闭 LED 灯。
第 140~185 行，驱动入口函数 led_init，此函数实现了 LED 的初始化工作， 147~151 行通过
ioremap 函数获取物理寄存器地址映射后的虚拟地址，得到寄存器对应的虚拟地址以后就可以
完成相关初始化工作了。比如是能 GPIO1 时钟、设置 GPIO1_IO03 复用功能、配置 GPIO1_IO03
的属性等等。最后，最重要的一步！使用 register_chrdev 函数注册 led 这个字符设备。
第 192~202 行，驱动出口函数 led_exit，首先使用函数 iounmap 取消内存映射，最后使用函
数 unregister_chrdev 注销 led 这个字符设备。
第 205~206 行，使用 module_init 和 module_exit 这两个函数指定 led 设备驱动加载和卸载
函数。
第 207~208 行，添加 LICENSE 和作者信息。
41.3.2 编写测试 APP
编写测试 APP， led 驱动加载成功以后手动创建/dev/led 节点，应用 APP 通过操作/dev/led
文件来完成对 LED 设备的控制。向/dev/led 文件写 0 表示关闭 LED 灯，写 1 表示打开 LED 灯。
新建 ledApp.c 文件
41.4 运行测试
41.4.1 编译驱动程序和测试 APP
1、编译驱动程序
编写 Makefile 文件，本章实验的 Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将 obj-m 变
量的值改为 led.o
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“ led.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试 APP
输入如下命令编译测试 ledApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp
41.4.2 运行测试
将上一小节编译出来的 led.ko和 ledApp这两个文件拷贝到 rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，
重启开发板，进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载 led.ko 驱动模块：
depmod //第一次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
在输入如下命令关闭 LED 灯：
./ledApp /dev/led 0 //关闭 LED 灯
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod led.ko
参考文献
【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.3.pdf