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Linux LED 实验

article 2026/4/29 12:27:34

一、Linux 下 LED 灯驱动原理

其实跟裸机实验很相似，只不过要编写符合 Linux 的驱动框架。

1. 地址映射

MMU全称 Memory Manage Unit，即内存存储单元。

MMU主要功能为：

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。

Linux 内核启动的时候会初始化 MMU，设置好内存映射。

原来的裸机实验，是直接对 GPIO1_IO03 引脚的复用寄存器IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 的地址0X020E0068写入数据。

但是现在开启了 Linux 内核后，MMU设置了内存映射，不能向原先的地址写入数据了。那么必须要得到 0X020E0068 对应的虚拟地址。

1.1 ioremap 函数

该函数用于获取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。

我们查看 ioremap 函数原型

#define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE) void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size, unsigned int mtype) 
{ return arch_ioremap_caller(phys_addr, size, mtype, __builtin_return_address(0)); 
}

phys_addr：要映射的物理起始地址。

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。

要获取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。

1.2 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。

比如上面的驱动进行卸载

iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);

2. IO内存访问函数

Linux 内核提供一组操作函数对映射后的内存进行读写操作。

2.1 读操作函数

u8 readb(const volatile void __iomem *addr) 
u16 readw(const volatile void __iomem *addr) 
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。。

2.2 写操作函数

void writeb(u8 value, volatile void __iomem *addr) 
void writew(u16 value, volatile void __iomem *addr) 
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。

二、硬件原理

STM32和IM6ULL的裸机实验有介绍了，就不赘述了。

三、实验程序编写

1. 驱动程序编写

首先寄存器的物理地址

#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)

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;

LED 灯的开关

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); } 
}

打开设备

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) 
{ return 0; 
}

从设备读取数据

static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 
{ return 0; 
}

向设备写数据

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; }

关闭/释放设备

121 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) 
122 { 
123     return 0; 
124 }

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, 
};

驱动入口函数

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); /* 清除以前的设置 */ 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 */ 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; 
}

驱动出口函数

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("Prover");

2. 编写测试程序

这时候需要用的 Linux C了，在 Linux 系统下，一切皆文件。应用层如何操控底层硬件，同样也是通过文件 I/O 的方式来实现。设备文件通常在/dev/目录下，我们也把/dev 目录下的文件称为设备节点。除此之外，我们还可以通过 sysfs 文件系统对硬件设备进行操控。

对于 ALPHA/Mini I.MX6U 开发板出厂系统来说，此 LED 设备使用的是 Linux 内核标准 LED 驱动框架注册而成，在/dev 目录下并没有其对应的设备节点，其实现使用 sysfs 方式控制。

2.1 sysfs 文件系统

请注意，驱动开发先别看这里，因为需要先 mfgtool 把系统文件烧好，然后直接进入系统，而不是和平时驱动开发那样，根文件是挂载的情况。

sysfs 是一个基于内存的文件系统，同 devfs、proc 文件系统一样，称为虚拟文件系统；它的作用是将内核信息以文件的方式提供给应用层使用。

sysfs 文件系统挂载在/sys 目录下

进入到/sys/class/leds 目录下，如果找不到 sys-led 文件，说明你移植的根文件系统是原产的。

brightness、max_brightness 以及 trigger 三个文件，这三个文件都是 LED 设备的属性文件：

brightness：翻译过来就是亮度的意思，该属性文件可读可写；

max_brightness：该属性文件只能被读取，不能写，用于获取 LED 设备的最大亮度等级。

trigger：触发模式，该属性文件可读可写，读表示获取 LED 当前的触发模式，写表示设置 LED 的触发模式。通过 cat 命令查看该属性文件。

方括号（[heartbeat]）括起来的表示当前 LED 对应的触发模式，none 表示无触发，常用的触发模式包括 none（无触发）、mmc0（当对 mmc0 设备发起读写操作的时候 LED 会闪烁）、timer（LED 会有规律的一亮一灭，被定时器控制住）、heartbeat（心跳呼吸模式，LED 模仿人的心跳呼吸那样亮灭变化）。

通过 echo 命令进行控制：

echo timer > trigger //将 LED 触发模式设置为 timer echo none > trigger //将 LED 触发模式设置为 none 
echo 1 > brightness //点亮 LED echo 0 > brightness//熄灭 LED

编写应用程序

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <unistd.h> 
#include <string.h> #define LED_TRIGGER "/sys/class/leds/sys-led/trigger" 
#define LED_BRIGHTNESS "/sys/class/leds/sys-led/brightness" 
#define USAGE() fprintf(stderr, "usage:\n" \ " %s <on|off>\n" \ " %s <trigger> <type>\n", argv[0], argv[0]) int main(int argc, char *argv[]) 
{ int fd1, fd2; /* 校验传参 */ if (2 > argc) { USAGE(); exit(-1); } /* 打开文件 */ fd1 = open(LED_TRIGGER, O_RDWR); if (0 > fd1) { perror("open error"); exit(-1); } fd2 = open(LED_BRIGHTNESS, O_RDWR); if (0 > fd2) { perror("open error"); exit(-1); } /* 根据传参控制 LED */ if (!strcmp(argv[1], "on")) { write(fd1, "none", 4); //先将触发模式设置为 none write(fd2, "1", 1); //点亮 LED } else if (!strcmp(argv[1], "off")) { write(fd1, "none", 4); //先将触发模式设置为 none write(fd2, "0", 1); //LED 灭 } else if (!strcmp(argv[1], "trigger")) { if (3 != argc) { USAGE(); exit(-1); } if (0 > write(fd1, argv[2], strlen(argv[2]))) perror("write error"); } else USAGE(); exit(0); 
}

然后使能编译环境

source /opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0/environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi

CC变量就是交叉编译工具。

编译程序，并把可执行文件拷贝到开发板上。然后运行并添加参数。

2.2 dev 文件系统

这里是正统的驱动方式，跟上个字符设备驱动开发的方式是一样的。

用内核源码的 include，以及开发板的内核和驱动是同源的。

编译成功以后就会生成一个名为“led.ko”的驱动模块文件。

led 驱动加载后，手动创建 /dev/led 节点，然后向 /dev/led 文件写 0 关闭灯，写 1 开启灯。

ledApp.c 的源码如下：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"#define LEDOFF 	0
#define LEDON 	1/** @description		: main主程序* @param - argc 	: argv数组元素个数* @param - argv 	: 具体参数* @return 			: 0 成功;其他 失败*/
int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;unsigned char databuf[1];if(argc != 3){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];/* 打开led驱动 */fd = open(filename, O_RDWR);if(fd < 0){printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);return -1;}databuf[0] = atoi(argv[2]);	/* 要执行的操作：打开或关闭 *//* 向/dev/led文件写入数据 */retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));if(retvalue < 0){printf("LED Control Failed!\r\n");close(fd);return -1;}retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */if(retvalue < 0){printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);return -1;}return 0;
}

以及 Makefile 文件

KERNELDIR := /home/prover/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := led.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

测试文件同样使用交叉编译器来编译。

arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp

最后，将 .ko 和测试文件拷贝到 rootfs 的 lib/modules/4.1.15 下。

sudo cp ledApp led.ko /home/prover/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/

由于是第一次加载驱动，先 depmod 然后再 modprobe led.ko。

然后创建 /dev/led 设备节点：

mknod /dev/led c 200 0

随后，测试：

./ledApp /dev/led 1

最后把驱动卸载

rmmod led.ko

2.3 Qt 应用

其实就是通过 sysfs 文件系统来控制 led 的亮灭。

mainwindow.h

#ifndef MAINWINDOW_H
#define MAINWINDOW_H#include <QMainWindow>
#include <QPushButton>
#include <QFile>class MainWindow : public QMainWindow
{Q_OBJECTpublic:MainWindow(QWidget *parent = nullptr);~MainWindow();private:/* 按钮 */QPushButton *pushButton;/* 文件 */QFile file;/* 设置lED的状态 */void setLedState();/* 获取lED的状态 */bool getLedState();private slots:void pushButtonClicked();
};
#endif // MAINWINDOW_H

mainwindow.cpp

#include "mainwindow.h"
#include <QDebug>
#include <QGuiApplication>
#include <QScreen>
#include <QRect>MainWindow::MainWindow(QWidget *parent): QMainWindow(parent)
{/* 获取屏幕的分辨率，Qt官方建议使用这* 种方法获取屏幕分辨率，防上多屏设备导致对应不上* 注意，这是获取整个桌面系统的分辨率*/QList <QScreen *> list_screen =  QGuiApplication::screens();/* 如果是ARM平台，直接设置大小为屏幕的大小 */
#if __arm__/* 重设大小 */this->resize(list_screen.at(0)->geometry().width(),list_screen.at(0)->geometry().height());/* 默认是出厂系统的LED心跳的触发方式,想要控制LED，* 需要改变LED的触发方式，改为none，即无 */system("echo none > /sys/class/leds/sys-led/trigger");
#else/* 否则则设置主窗体大小为800x480 */this->resize(800, 480);
#endifpushButton = new QPushButton(this);/* 居中显示 */pushButton->setMinimumSize(200, 50);pushButton->setGeometry((this->width() - pushButton->width()) /2 ,(this->height() - pushButton->height()) /2,pushButton->width(),pushButton->height());/* 开发板的LED控制接口 */file.setFileName("/sys/devices/platform/leds/leds/sys-led/brightness");if (!file.exists())/* 设置按钮的初始化文本 */pushButton->setText("未获取到LED设备！");/* 获取LED的状态 */getLedState();/* 信号槽连接 */connect(pushButton, SIGNAL(clicked()),this, SLOT(pushButtonClicked()));
}MainWindow::~MainWindow()
{
}void MainWindow::setLedState()
{/* 在设置LED状态时先读取 */bool state = getLedState();/* 如果文件不存在，则返回 */if (!file.exists())return;if(!file.open(QIODevice::ReadWrite))qDebug()<<file.errorString();QByteArray buf[2] = {"0", "1"};/* 写0或1 */if (state)file.write(buf[0]);elsefile.write(buf[1]);/* 关闭文件 */file.close();/*重新获取LED的状态 */getLedState();
}bool MainWindow::getLedState()
{/* 如果文件不存在，则返回 */if (!file.exists())return false;if(!file.open(QIODevice::ReadWrite))qDebug()<<file.errorString();QTextStream in(&file);/* 读取文件所有数据 */QString buf = in.readLine();/* 打印出读出的值 */qDebug()<<"buf: "<<buf<<endl;file.close();if (buf == "1") {pushButton->setText("LED点亮");return true;} else {pushButton->setText("LED熄灭");return false;}
}void MainWindow::pushButtonClicked()
{/* 设置LED的状态 */setLedState();
}

通过 Qt 编译(或者直接编写Makefile)的可执行文件，传输到开发板上。

在串口 xtem 终端上运行可执行文件。会发现界面直接覆盖了开发板的整个 UI。