rk3588 驱动开发（二）第四章嵌入式 Linux LED 驱动开发实验

4.1 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 RK3588 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。开发板上的 LED 连接到 RK3588 的 GPIO1_A3 这个引脚上，因此本章实验
的重点就是编写 Linux 下 RK3588 引脚控制驱动。

4.1.1 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 64
位的处理器来说，虚拟地址范围是 2^64=16EB(1EB=1024PB=1024*1024TB)。
虚拟地址： 就是针对系统调用按照系统位数虚拟的地址
物理地址： 就是实际的地址，包括SOC上和DDR上的地址
系统要访问物理地址需要通过虚拟地址映射到物理地址进行访问。
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。RK3588 的 GPIO1_A3 引脚的 IO 复用寄存器 BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L 物
理地址为 0xFD5F8020。如果没有开启 MMU 的话直接向 0xFD5F8020)这个寄存器地址写入数
据就可以配置 GPIO1_A3 的引脚的复用功能。现在开启了 MMU，并且设置了内存映射，因此
就不能直接向 0xFD5F8020 这个地址写入数据了。我们必须得到 0xFD5F8020 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 4.1-1 ioremap 函数声明

431 void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size);

函数的实现是在 arch/arm/mm/ioremap.c 文件中，实现如下：
示例代码 4.1-2 ioremap 函数实现

376 void __iomem *ioremap(resource_size_t res_cookie, size_t size)
377 {
378 return arch_ioremap_caller(res_cookie, size, MT_DEVICE,
379 __builtin_return_address(0));
380 }
381 EXPORT_SYMBOL(ioremap);

ioremap 有两个参数：res_cookie 和 size，真正起作用的是函数 arch_ioremap_caller。
ioremap 函数有两个参数和一个返回值，这些参数和返回值的含义如下：
res_cookie：要映射的物理起始地址。
size：要映射的内存空间大小。
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 RK3588 的 BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L 寄存器对应的虚拟地址，
使用如下代码即可：

#define BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L (0xFD5F8020)
static void __iomem* BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L_PI;
BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L_PI = ioremap(BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L, 4);

对于 RK3588 来说一个寄存器是4 字节(32 位)，因此映射的内存长度为 4。映射完成以后直接对BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L_PI 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 4.1-3 iounmap 函数原型

460 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 BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L_PI 寄存器的地址映射，使用如下代码即可：
iounmap(BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L_PI);

4.1.2I/O 内存访问函数

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 4.1-4 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 4.1-5 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。

4.2 硬件原理图分析

在这里插入图片描述
图中R113是限流电阻，避免NPN三极管基极电流过大烧毁三极管，取值计算方法如下：
三极管进入饱和态：基极电流

假设 LED 电流
Ic ≈ 5 ~ 10mA，三极管 β ≈ 100。则基极电流
𝐼𝑏≈0.1𝑚𝐴
假设 GPIO 输出高电平 3.3V，V_BE ≈ 0.7V：
在这里插入图片描述
实际使用中，通常会放大电流裕量，10kΩ 是比较常见的保守值，确保三极管能充分导通。
R115 的作用（下拉电阻）：
作用：R115 是下拉电阻，用于在 GPIO 输出为高阻态（Hi-Z）或系统上电初始化期间，防止三极管误导通。
保证 Q4 基极电位默认为低电平，避免 LED 误亮。提高系统上电稳定性。
数值选择：
数值需远大于 R113，不能分流太多基极电流，一般选用几十 kΩ 到几百 kΩ。
51kΩ 是一个常见的折中选择。

三极管（以NPN型为例）具有以下三个工作状态：

截止区（Cutoff Region）
条件：基极-发射极电压
𝑉𝐵𝐸<0.7𝑉（未导通）
特征：基极电流
𝐼𝐵≈0，集电极电流 𝐼𝐶≈0
作用：三极管完全关闭，相当于开关断开
放大区（Active Region）
条件：
𝑉𝐵𝐸≈0.7𝑉，且 𝑉𝐶𝐸>𝑉𝐵𝐸

特征：三极管工作在线性放大状态，
𝐼𝐶≈𝛽⋅𝐼𝐵
作用：主要用于模拟信号放大，不是开关工作区

饱和区（Saturation Region）
条件：基极电流足够大，使得
𝑉𝐶𝐸≈0.2𝑉

特征：三极管“完全导通”，
𝐼𝐶不再严格依赖
𝐼𝐵

作用：相当于导通的开关，集电极与发射极接近短路

4.3 RK3588 GPIO 驱动原理讲解

4.3.1 引脚复用设置

RK3588 的一个引脚一般用多个功能，也就是引脚复用，比如 GPIO1_A3 这个 IO 就可以
用作：GPIO，HDMI_TX1_SDA_M2、SPI4_CS0_M2、I2C4_SCL_M3、UART6_CTSN_M1、
PWM1_M2 这六个功能，所以我们首先要设置好当前引脚用作什么功能，这里我们要使用
GPIO1_A3 的 GPIO 功能。
打开《Rockchip RK3588 TRM V1.0-Part1-20220309（RK3588 参考手册 1）.pdf》这份文
档，找到 BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L 这个寄存器，寄存器描述如下图所示：
在这里插入图片描述
BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L 寄存器地址为：base+offset，其中 base 就是 PMU_GRF 外设的基地址，为 0xFD5F8000，offset 为 0x0020，所以BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L 寄存器地址为 0xFD5F8000 + 0x0020 = 0xFD5F8020。
BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L 寄存器分为 2 部分：
① 、bit31:16：低 16 位写使能位，这 16 个 bit 控制着寄存器的低 16 位写使能。比如 bit16
就对应着 bit0 的写使能，如要要写 bit0，那么 bit16 要置 1，也就是允许对 bit0 进行写
操作。
② 、bit15:0：功能设置位。
可以看出，BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L 寄存器用于设置 GPIO1_A0~A3 这 4 个 IO
的复用功能，其中 bit15:12 用于设置 GPIO1_A3 的复用功能，有六个可选功能：
0：GPIO0_C0
5：HDMI_TX1_SDA_M2
8：SPI4_CS0_M2
9：I2C4_SCL_M3
a：UART6_CTSN_M1
b：PWM1_M2
我们要将 GPIO1_A3 设置为 GPIO，所以 BUS_IOC_GPIO1A_IOMUX_SEL_L 的 bit15:12
这四位设置 0000。另外 bit31:28 要设置为 1111，允许写 bit15:12