嵌入式Linux设备驱动开发之：GPIO驱动程序实例
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FS2410开发板的S3C2410处理器具有117个多功能通用I/O（GPIO）端口管脚，包括GPIO8个端口组，分别为GPA（23个输出端口）、GPB（11个输入/输出端口）、GPC（16个输入/输出端口）、GPD（16个输入/输出端口）、GPE（16个输入/输出端口）、GPF（8个输入/输出端口）、GPH（11个输入/输出端口）。根据各种系统设计的需求，通过软件方法可以将这些端口配置成具有相应功能（例如：外部中断或数据总线）的端口。
为了控制这些端口，S3C2410处理器为每个端口组分别提供几种相应的控制寄存器。其中最常用的有端口配置寄存器（GPACON~GPHCON）和端口数据寄存器（GPADAT~GPHDAT）。因为大部分I/O管脚可以提供多种功能，通过配置寄存器（PnCON）设定每个管脚用于何种目的。数据寄存器的每位将对应于某个管脚上的输入或输出。所以通过对数据寄存器（PnDAT）的位读写，可以进行对每个端口的输入或输出。
在此主要以发光二极管（LED）和蜂鸣器为例，讨论GPIO设备的驱动程序。它们的硬件驱动电路的原理图如图11.4所示。
图11.4LED（左）和蜂鸣器（右）的驱动电路原理图
在图11.4中，可知使用S3C2410处理器的通用I/O口GPF4、GPF5、GPF6和GPF7分别直接驱动LEDD12、D11、D10以及D9，而使用GPB0端口驱动蜂鸣器。4个LED分别在对应端口（GPF4~GPF7）为低电平时发亮，而蜂鸣器在GPB0为高电平时发声。这5个端口的数据流方向均为输出。
在表11.15中，详细描述了GPF的主要控制寄存器。GPB的相关寄存器的描述与此类似，具体可以参考S3C2410处理器数据手册。
表11.15 GPF端口（GPF0-GPF7）的主要控制寄存器
寄存器
地址
R/W
功能
初始值
GPFCON
0x56000050
R/W
配置GPF端口组
0x0
GPFDAT
0x56000054
R/W
GPF端口的数据寄存器
未定义
GPFUP
0x56000058
R/W
GPF端口的取消上拉寄存器
0x0
GPFCON
位
描述
GPF7
[15:14]
00=输入01=输出10=EINT711=保留
GPF6
[13:12]
00=输入01=输出10=EINT611=保留
GPF5
[11:10]
00=输入01=输出10=EINT511=保留
GPF4
[9:8]
00=输入01=输出10=EINT411=保留
GPF3
[7:6]
00=输入01=输出10=EINT311=保留
GPF2
[5:4]
00=输入01=输出10=EINT211=保留
GPF1
[3:2]
00=输入01=输出10=EINT111=保留
GPF0
[1:0]
00=输入01=输出10=EINT011=保留
GPFDAT
位
描述
GPF[7:0]
[7:0]
每位对应于相应的端口，若端口用于输入，则可以通过相应的位读取数据；若端口用于输出，则可以通过相应的位输出数据；若端口用于其他功能，则其值无法确定。
GPFUP
位
描述
GPF[7:0]
[7:0]
0：向相应端口管脚赋予上拉(pull-up)功能
1：取消上拉功能
为了驱动LED和蜂鸣器，首先通过端口配置寄存器将5个相应寄存器配置为输出模式。然后通过对端口数据寄存器的写操作，实现对每个GPIO设备的控制（发亮或发声）。在下一个小节中介绍的驱动程序中，s3c2410_gpio_cfgpin()函数和s3c2410_gpio_pullup()函数将进行对某个端口的配置，而s3c2410_gpio_setpin()函数实现向数据寄存器的某个端口的输出。
11.3.2GPIO驱动程序GPIO驱动程序代码如下所示：
/*gpio_drv.h*/
#ifndefFS2410_GPIO_SET_H
#defineFS2410_GPIO_SET_H
#include<linux/ioctl.h>
#defineGPIO_DEVICE_NAME"gpio"
#defineGPIO_DEVICE_FILENAME"/dev/gpio"
#defineLED_NUM4
#defineGPIO_IOCTL_MAGIC'G'
#defineLED_D09_SWT_IOW(GPIO_IOCTL_MAGIC,0,unsignedint)
#defineLED_D10_SWT_IOW(GPIO_IOCTL_MAGIC,1,unsignedint)
#defineLED_D11_SWT_IOW(GPIO_IOCTL_MAGIC,2,unsignedint)
#defineLED_D12_SWT_IOW(GPIO_IOCTL_MAGIC,3,unsignedint)
#defineBEEP_SWT_IOW(GPIO_IOCTL_MAGIC,4,unsignedint)
#defineLED_SWT_ON0
#defineLED_SWT_OFF1
#defineBEEP_SWT_ON1
#defineBEEP_SWT_OFF0
#endif/*FS2410_GPIO_SET_H*/
/*gpio_drv.c*/
#include<linux/config.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/moduleparam.h>
#include<linux/init.h>
#include<linux/kernel.h>/*printk()*/
#include<linux/slab.h>/*kmalloc()*/
#include<linux/fs.h>/*everything...*/
#include<linux/errno.h>/*errorcodes*/
#include<linux/types.h>/*size_t*/
#include<linux/mm.h>
#include<linux/kdev_t.h>
#include<linux/cdev.h>
#include<linux/delay.h>
#include<linux/device.h>
#include<asm/io.h>
#include<asm/uaccess.h>
#include<asm/arch-s3c2410/regs-gpio.h>
#include"gpio_drv.h"
staticintmajor=0;/*采用字符设备号的动态分配*/
module_param(major,int,0);/*以参数的方式可以指定设备的主设备号*/
voids3c2410_gpio_cfgpin(unsignedintpin,unsignedintfunction)
{/*对某个管脚进行配置（输入/输出/其他功能）*/
unsignedlongbase=S3C2410_GPIO_BASE(pin);/*获得端口的组基地址*/
unsignedlongshift=1;
unsignedlongmask=0x03;/*通常用配置寄存器的两位表示一个端口*/
unsignedlongcon;
unsignedlongflags;
if(pin<S3C2410_GPIO_BANKB)
{
shift=0;
mask=0x01;/*在GPA端口中用配置寄存器的一位表示一个端口*/
}
mask<<=(S3C2410_GPIO_OFFSET(pin)<<shift);
local_irq_save(flags);/*保存现场，保证下面一段是原子操作*/
con=__raw_readl(base+0x00);
con&=~mask;
con|=function;
__raw_writel(con,base+0x00);/*向配置寄存器写入新配置数据*/
local_irq_restore(flags);/*恢复现场*/
}
voids3c2410_gpio_pullup(unsignedintpin,unsignedintto)
{/*配置上拉功能*/
unsignedlongbase=S3C2410_GPIO_BASE(pin);/*获得端口的组基地址*/
unsignedlongoffs=S3C2410_GPIO_OFFSET(pin);/*获得端口的组内偏移地址*/
unsignedlongflags;
unsignedlongup;
if(pin<S3C2410_GPIO_BANKB)
{
return;
}
local_irq_save(flags);
up=__raw_readl(base+0x08);
up&=~(1<<offs);
up|=to<<offs;
__raw_writel(up,base+0x08);/*向上拉功能寄存器写入新配置数据*/
local_irq_restore(flags);
}
voids3c2410_gpio_setpin(unsignedintpin,unsignedintto)
{/*向某个管脚进行输出*/
unsignedlongbase=S3C2410_GPIO_BASE(pin);
unsignedlongoffs=S3C2410_GPIO_OFFSET(pin);
unsignedlongflags;
unsignedlongdat;
local_irq_save(flags);
dat=__raw_readl(base+0x04);
dat&=~(1<<offs);
dat|=to<<offs;
__raw_writel(dat,base+0x04);/*向数据寄存器写入新数据*/
local_irq_restore(flags);
}
intgpio_open(structinode*inode,structfile*filp)
{/*open操作函数：进行寄存器配置*/
s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPB0,1);/*BEEP*/
s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPF4,1);/*LEDD12*/
s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPF5,1);/*LEDD11*/
s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPF6,1);/*LEDD10*/
s3c2410_gpio_pullup(S3C2410_GPF7,1);/*LEDD9*/
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPB0,S3C2410_GPB0_OUTP);
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF4,S3C2410_GPF4_OUTP);
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF4,S3C2410_GPF5_OUTP);
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF4,S3C2410_GPF6_OUTP);
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF4,S3C2410_GPF7_OUTP);
return0;
}
ssize_tgpio_read(structfile*file,char__user*buff,
size_tcount,loff_t*offp)
{/*read操作函数：没有实际功能*/
return0;
}
ssize_tgpio_write(structfile*file,constchar__user*buff,
size_tcount,loff_t*offp)
{/*write操作函数：没有实际功能*/
return0;
}
intswitch_gpio(unsignedintpin,unsignedintswt)
{/*向5个端口中的一个输出ON/OFF值*/
if(!((pin<=S3C2410_GPF7)&&(pin>=S3C2410_GPF4))
&&(pin!=S3C2410_GPB0))
{
printk("Unsupportedpin");
return1;
}
s3c2410_gpio_setpin(pin,swt);
return0;
}
staticintgpio_ioctl(structinode*inode,structfile*file,
unsignedintcmd,unsignedlongarg)
{/*ioctl函数接口:主要接口的实现。对5个GPIO设备进行控制（发亮或发声）*/
unsignedintswt=(unsignedint)arg;
switch(cmd)
{
caseLED_D09_SWT:
{
switch_gpio(S3C2410_GPF7,swt);
}
break;
caseLED_D10_SWT:
{
switch_gpio(S3C2410_GPF6,swt);
}
break;
caseLED_D11_SWT:
{
switch_gpio(S3C2410_GPF5,swt);
}
break;
caseLED_D12_SWT:
{
switch_gpio(S3C2410_GPF4,swt);
}
break;
caseBEEP_SWT:
{
switch_gpio(S3C2410_GPB0,swt);
break;
}
default:
{
printk("Unsupportedcommandn");
break;
}
}
return0;
}
staticintgpio_release(structinode*node,structfile*file)
{/*release操作函数，熄灭所有灯和关闭蜂鸣器*/
switch_gpio(S3C2410_GPB0,BEEP_SWT_OFF);
switch_gpio(S3C2410_GPF4,LED_SWT_OFF);
switch_gpio(S3C2410_GPF5,LED_SWT_OFF);
switch_gpio(S3C2410_GPF6,LED_SWT_OFF);
switch_gpio(S3C2410_GPF7,LED_SWT_OFF);
return0;
}
staticvoidgpio_setup_cdev(structcdev*dev,intminor,
structfile_operations*fops)
{/*字符设备的创建和注册*/
interr,devno=MKDEV(major,minor);
cdev_init(dev,fops);
dev->owner=THIS_MODULE;
dev->ops=fops;
err=cdev_add(dev,devno,1);
if(err)
{
printk(KERN_NOTICE"Error%daddinggpio%d",err,minor);
}
}
staticstructfile_operationsgpio_fops=
{/*gpio设备的file_operations结构定义*/
.owner=THIS_MODULE,
.open=gpio_open,/*进行初始化配置*/
.release=gpio_release,/*关闭设备*/
.read=gpio_read,
.write=gpio_write,
.ioctl=gpio_ioctl,/*实现主要控制功能*/
};
staticstructcdevgpio_devs;
staticintgpio_init(void)
{
intresult;
dev_tdev=MKDEV(major,0);
if(major)
{/*设备号的动态分配*/
result=register_chrdev_region(dev,1,GPIO_DEVICE_NAME);
}
else
{/*设备号的动态分配*/
result=alloc_chrdev_region(&dev,0,1,GPIO_DEVICE_NAME);
major=MAJOR(dev);
}
if(result<0)
{
printk(KERN_WARNING"Gpio:unabletogetmajor%dn",major);
returnresult;
}
gpio_setup_cdev(&gpio_devs,0,&gpio_fops);
printk("Themajorofthegpiodeviceis%dn",major);
return0;
}
staticvoidgpio_cleanup(void)
{
cdev_del(&gpio_devs);/*字符设备的注销*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(major,0),1);/*设备号的注销*/
printk("Gpiodeviceuninstalledn");
}
module_init(gpio_init);
module_exit(gpio_cleanup);
MODULE_AUTHOR("David");
MODULE_LICENSE("DualBSD/GPL");
下面列出GPIO驱动程序的测试用例：
/*gpio_test.c*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include"gpio_drv.h"
intled_timer(intdev_fd,intled_no,unsignedinttime)
{/*指定LED发亮一段时间之后熄灭它*/
led_no%=4;
ioctl(dev_fd,LED_D09_SWT+led_no,LED_SWT_ON);/*发亮*/
sleep(time);
ioctl(dev_fd,LED_D09_SWT+led_no,LED_SWT_OFF);/*熄灭*/
}
intbeep_timer(intdev_fd,unsignedinttime)
{/*开蜂鸣器一段时间之后关闭*/
ioctl(dev_fd,BEEP_SWT,BEEP_SWT_ON);/*发声*/
sleep(time);
ioctl(dev_fd,BEEP_SWT,BEEP_SWT_OFF);/*关闭*/
}
intmain()
{
inti=0;
intdev_fd;
/*打开gpio设备*/
dev_fd=open(GPIO_DEVICE_FILENAME,O_RDWR|O_NONBLOCK);
if(dev_fd==-1)
{
printf("Cann'topengpiodevicefilen");
exit(1);
}
while(1)
{
i=(i+1)%4;
led_timer(dev_fd,i,1);
beep_timer(dev_fd,1);
}
close(dev_fd);
return0;
}
具体运行过程如下所示。首先编译并加载驱动程序：
$makeclean;make/*驱动程序的编译*/
$insmodgpio_drv.ko/*加载gpio驱动*/
$cat/proc/devices/*通过这个命令可以查到gpio设备的主设备号*/
$mknod/dev/gpioc2520/*假设主设备号为252，创建设备文件节点*/
然后编译并运行驱动测试程序：
$arm-linux-gcc–ogpio_testgpio_test.c
$./gpio_test
运行结果为4个LED轮流闪烁，同时蜂鸣器以一定周期发出声响。
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