嵌入式Linux中的LED驱动控制（续）

“嵌入式Linux中的LED驱动控制”一文实现了在野火STM32MP157开发板上对三个LED灯的控制，这里来讨论一下该驱动程序具体实现的原理。由于实例使用的是STM32MP157这款芯片，所以先来看一下与该芯片端口操作相关的寄存器。

先看端口模式寄存器MODER，该类型的寄存器在STM32MP157中有11个，即x的值从A到K。它们分别针对11组不同的I/O端口，其结构完全相同（下同）。下面是该寄存器的全部位结构。它的偏移地址为：0x00。

第31~0位分别配置第15~第0引脚的具体模式，每两位配置一个引脚。当值为00时，引脚为输入模式，值为01时，引脚为通用输出模式，值为10时，引脚为多功能模式，值为11时，引脚为模拟模式。默认为模拟模式。

接着看端口输出类型寄存器OTYPER，下面是该寄存器的全部位结构。它的偏移地址为：0x04。

第15~0位分别配置第15~第0引脚的输出类型，每一位配置一个引脚，第31~16位未使用。当值为0时，引脚为推挽模式，值为1时，引脚为开漏模式。默认为推挽模式。

接下来是端口输出速度寄存器OSPEEDR，下面是该寄存器的全部位结构。它的偏移地址为：0x08。

第31~0位分别配置第15~第0引脚的具体模式，每两位配置一个引脚。当值为00时，引脚为低速模式，值为01时，引脚为中速模式，值为10时，引脚为高速模式，值为11时，引脚为超高速模式。默认为低速模式。

然后看端口上/下拉寄存器PUPDR，下面是该寄存器的全部位结构。它的偏移地址为：0x0C。

第31~0位分别配置第15~第0引脚的具体模式，每两位配置一个引脚。当值为00时，引脚为无上下拉（浮空）模式，值为01时，引脚为上拉模式，值为10时，引脚为下拉模式，值为11时保留。默认为浮空模式。

接着看端口输入数据寄存器IDR，下面是该寄存器的全部位结构。它的偏移地址为：0x10。

第15~0位分别提供第15~第0引脚的输入数据，每一位对应一个引脚，第31~16位未使用。当值为0时，引脚输入为低电平，值为1时，引脚输入为高电平。该寄存器为只读。

然后是端口输出数据寄存器ODR，下面是该寄存器的全部位结构。它的偏移地址为：0x14。

第15~0位分别提供第15~第0引脚的输出数据，每一位对应一个引脚，第31~16位未使用。当值为0时，引脚输出低电平，值为1时，引脚输出高电平。默认为低电平。

最后看端口位配置寄存器BSRR，下面是该寄存器的全部位结构。它的偏移地址为：0x18。

第31~16位分别提供第15~第0引脚的清零，每一位对应一个引脚，写1时引脚清零（输出低电平），写0无效。第15~0位分别提供第15~第0引脚的置位，每一位对应一个引脚，写1时引脚置位（输出高电平），写0无效。默认为无效。

在操作端口的输出电平时，可以有ODR和BSRR两个寄存器选择，虽然两者都能实现端口电平的输出，但还是有所区别的。当要求操作某一引脚的电平而不影响其他引脚的电平时，若使用ODR寄存器则要实现“读——改——写”的过程，即先把ODR数据读出，然后通过逻辑与或进行修改，再写入到ODR寄存器中。若使用BSRR寄存器则可直接写入，非常方便。

除了上述对端口控制的寄存器之外，还有一个时钟使能寄存器也需要讨论（只有一个），它寄存器名称为RCC_MP_AHB4ENSETR，下面是该寄存器的全部位结构。它的偏移地址为：0xA28。

第0~10位分别控制第A~第K组端口的时钟，值为1时使能该组端口时钟，值为0时禁止时钟。默认为禁止。

以上就是本例中使用到的寄存器，他们都位于AHB4总线之中，这些寄存器的地址都是以AHB4的基址为偏移的，具体地址如下表所示。

在Linux系统中，并不能直接使用物理地址对寄存器进行操作，必须先把寄存器的物理地址映射到操作系统中来形成虚拟地址，然后才能进行相应地操作。实现映射功能的函数名为ioremap，其原型为：void __iomem *ioremap(phys_addr_t paddr, unsigned long size)。第一个参数为物理地址，第二个参数为长度，返回值是一个指向__iomem类型的指针。__iomem是一个宏，它表示返回的地址是一个IO存储空间的有效地址。相应的解除映射函数iounmap，其原型为：void iounmap(void *addr)。只有一个参数，为前面映射时的返回指针，该函数没有返回值。

下面以映射GPIO_MODER_PA寄存器为例进行说明，先对GPIO_MODER_PA寄存器的物理地址进行一个宏定义，定义采取基址+偏移量的方式，如下。

#define AHB4_PERIPH_BASE (0x50000000)
#define GPIOA_BASE (AHB4_PERIPH_BASE + 0x2000)
#define GPIOA_MODER (GPIOA_BASE + 0x0000)

然后定义一个用于接收映射的返回值的指针变量，如下。

volatile void __iomem *GPIO_MODER_PA

变量加上前缀volatile关键字，表示它不接受编译器优化（一般定义寄存器都要如此）。

然后就可以进行地址映射了，如下。

GPIO_MODER_PA = ioremap(GPIOA_MODER, 4);

映射成功后，就可以使用GPIO_MODER_PA来进行赋值了，如下。

tmp = ioread32(GPIO_MODER_PA);
tmp &= ~(0x3 << 26);
tmp |= (0x1 << 26);
iowrite32(tmp, GPIO_MODER_PA);

上面的赋值采用了“读——改——写”的方式，所以只改变寄存器的第26、27两位，其余位不变。经过赋值后，GPIOA的第13引脚就被配置成了通用输出模式。

在Linux中，对端口的读写有专用的函数，一般不推荐直接对指针进行操作。ioread32函数用于读取一个32位的值，iowrite32函数用于写入一个32位的值。（早期可能会使用readl和writel函数，现在不推荐使用）

本例把寄存器的地址映射放在了入口函数（led_init）中，同时也把端口配置放在了入口中。把解除映射函数放在出口函数（led_exit）中进行。对芯片寄存器的读、写等操作放在了文件操作接口里面（file_operations结构体成员函数中）。在使用设备时，应用程序会打开设备节点，并通过设备节点的inode结构体、file结构体最终找到file_operations结构体，然后从file_operations结构体中得到操作设备的具体方法。 这部分的具体内容可参见“嵌入式Linux中字符型驱动程序的基本框架”一文。在函数alloc_chrdev_region(&devno, 0, 3, "led")执行后，字符串led会出现在/proc/devices文件中。函数class_create(THIS_MODULE,  "led_dev")执行后，字符串led_dev会出现在/sys/class目录下。函数device_create(led_chrdev_class, Null, devid, Null, "led%d", i)执行后，字符串ledi会出现在/dev目录下。可在开发板上自行查看。

在实例中，把设备号、字符型结构体、类结构体和设备结构体又封装在了一个名为led_dev的结构体中，并定义了一个名为led的该类结构体，后面的程序来引用该led的成员。这样做的好处是逻辑性强，容易区别不同的设备，当然，也可以不用结构体，直接声明变量，看自己的喜好而定。此外，在该实例中，把打开端口时钟的操作放在了open函数中，然后在release函数中关闭端口时钟。其意义在于，当应用程序执行完成后，端口时钟处于关闭状态，这样可以节约一点功耗。（一般的做法是在移除驱动模块后才关闭端口时钟）