【原创】Linux下驱动Zynq GPIO (Switch、button、led)

发表于 2016/3/28 19:46:26 阅读（12664）

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1 硬件设计：

1.1) Vivado Block Design

1.1.1) 设计自主AXI-Lite IP核

关键逻辑如下：

下图所示的是寄存器读操作，主要目的是为了读取led、switch和button的状态。这里并没有做任何处理，对于button而言，可以利用硬件进行预处理之后，将结果传递给软件，这样可以减少软件工作量。

下图所示的逻辑用于将寄存器内的值送至led引脚。

IP制作方法，参考以前的博文《Vivado 下创建基于 AXI-Lite 的用户 IP 核》

1.1.2) 添加IP核至block design

完成后的block design如下图所示。

1.1.3) 编写约束文件

led、switch和button所用的引脚都需要约束。使用Run Automation的时候，Vivado会帮助完成约束，我们自主IP暂时未实现Run Automation功能，所以要手动约束。约束代码如下：

#NET LD0 LOC = T22 | IOSTANDARD=LVCMOS33; # "LD0"

set_property PACKAGE_PIN T22 [get_ports {zed_led[0]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {zed_led[0]}]

#NET LD1 LOC = T21 | IOSTANDARD=LVCMOS33; # "LD1"

set_property PACKAGE_PIN T21 [get_ports {zed_led[1]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {zed_led[1]}]

#NET LD2 LOC = U22 | IOSTANDARD=LVCMOS33; # "LD2"

set_property PACKAGE_PIN U22 [get_ports {zed_led[2]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {zed_led[2]}]

#NET LD3 LOC = U21 | IOSTANDARD=LVCMOS33; # "LD3"

set_property PACKAGE_PIN U21 [get_ports {zed_led[3]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {zed_led[3]}]

#NET LD4 LOC = V22 | IOSTANDARD=LVCMOS33; # "LD4"

set_property PACKAGE_PIN V22 [get_ports {zed_led[4]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {zed_led[4]}]

#NET LD5 LOC = W22 | IOSTANDARD=LVCMOS33; # "LD5"

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {zed_led[5]}]

set_property PACKAGE_PIN W22 [get_ports {zed_led[5]}]

#NET LD6 LOC = U19 | IOSTANDARD=LVCMOS33; # "LD6"

set_property PACKAGE_PIN U19 [get_ports {zed_led[6]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {zed_led[6]}]

#NET LD7 LOC = U14 | IOSTANDARD=LVCMOS33; # "LD7"

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {zed_led[7]}]

set_property PACKAGE_PIN U14 [get_ports {zed_led[7]}]

#NET SW0 LOC = F22 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "SW0"

set_property PACKAGE_PIN F22 [get_ports {zed_sw[0]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_sw[0]}]

#NET SW1 LOC = G22 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "SW1"

set_property PACKAGE_PIN G22 [get_ports {zed_sw[1]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_sw[1]}]

#NET SW2 LOC = H22 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "SW2"

set_property PACKAGE_PIN H22 [get_ports {zed_sw[2]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_sw[2]}]

#NET SW3 LOC = F21 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "SW3"

set_property PACKAGE_PIN F21 [get_ports {zed_sw[3]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_sw[3]}]

#NET SW4 LOC = H19 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "SW4"

set_property PACKAGE_PIN H19 [get_ports {zed_sw[4]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_sw[4]}]

#NET SW5 LOC = H18 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "SW5"

set_property PACKAGE_PIN H18 [get_ports {zed_sw[5]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_sw[5]}]

#NET SW6 LOC = H17 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "SW6"

set_property PACKAGE_PIN H17 [get_ports {zed_sw[6]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_sw[6]}]

#NET SW7 LOC = M15 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "SW7"

set_property PACKAGE_PIN M15 [get_ports {zed_sw[7]}]

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_sw[7]}]

#NET BTNC LOC = P16 | IOSTANDARD=LVCMOS18; # "BTNC"

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_btn[0]}]

set_property PACKAGE_PIN P16 [get_ports {zed_btn[0]}]

# BTNU

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_btn[1]}]

set_property PACKAGE_PIN T18 [get_ports {zed_btn[1]}]

# BTND

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_btn[2]}]

set_property PACKAGE_PIN R16 [get_ports {zed_btn[2]}]

# BTNL

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_btn[3]}]

set_property PACKAGE_PIN N15 [get_ports {zed_btn[3]}]

# BTNR

set_property IOSTANDARD LVCMOS18 [get_ports {zed_btn[4]}]

set_property PACKAGE_PIN R18 [get_ports {zed_btn[4]}]

1.1.4) 生成bitstream

1.2) 制作BOOT.bin

1.3) 修改dts文件

小改动，为简单起见，保持和驱动程序中的设备名称一致。IP的物理地址一定要改！

2 驱动设计：

2.1) digilent驱动学习

首先，姑且不管每个函数的具体作用，我们将驱动程序的框架剥离出来进行分析，这样程序结构更加清晰。

2.1.1) platform_driver成员函数

//设备的驱动：platform_driver这个结构体中包含probe()、remove()、shutdown()、suspend()、 resume()函数，通常也需要由驱动实现。

struct platform_driver {

int (*probe)(struct platform_device *);

int (*remove)(struct platform_device *);

void (*shutdown)(struct platform_device *);

int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);

int (*suspend_late)(struct platform_device *, pm_message_t state);

int (*resume_early)(struct platform_device *);

int (*resume)(struct platform_device *);

struct pm_ext_ops *pm;

struct device_driver driver;

};

驱动程序对platform_driver进行初始化的代码：

/* platform driver structure for mygpio driver */

static struct platform_driver mygpio_driver =

{

.driver =

{

.name = DRIVER_NAME,

.owner = THIS_MODULE,

.of_match_table = mygpio_of_match

.probe = mygpio_probe,

.remove = __devexit_p(mygpio_remove),

.shutdown = __devexit_p(mygpio_shutdown)

};

这些函数的命名本身具有一定的自明性，此段代码进一步阐明了probe()、remove()和shutdown()函数的作用，具体每个函数的作用可以参考函数体前面的注释，写得很详细。

2.1.2) 文件操作函数

关键代码：

static const struct file_operations proc_mygpio_operations = {

.open = proc_mygpio_open,

.read = seq_read,

.write = proc_mygpio_write,

.llseek = seq_lseek,

.release = single_release

};

文件操作深究起来，也能独立成文了，对于字符设备而言，要提供的主要入口有：open()、release()、read()、write()、ioctl()、llseek()、poll()等，这里简单说一下用到的几个函数。

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

llseek 方法用作改变文件中的当前读/写位置，并且新位置作为(正的)返回值。

ssize_t (*read) (struct file * filp, char __user * buffer, size_t size , loff_t * p);

这个函数用来从设备中获取数据。

ssize_t (*write) (struct file * filp, const char __user * buffer, size_t count, loff_t * ppos);

发送数据给设备。

int (*open) (struct inode * inode , struct file * filp ) ;

对设备文件进行open()系统调用时，将调用驱动程序的open()函数。该函数主要作用是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态量等。

int (*release) (struct inode *, struct file *);

release()函数在文件结构被释放时引用这个操作，当最后一个打开设备的用户进程执行close()系统调用的时候，内核将调用驱动程序release()函数。release()函数的主要任务是清理未结束的输入输出操作，释放资源，用户自定义排他标志的复位等。

2.2) 驱动修改

名字什么的就不多说了，必然要改的，最大的改动在于proc_xxxx_show()，添加了寄存器读取操作，具体代码如下：

static int proc_mygpio_show(struct seq_file *p, void *v)

{

u32 mygpio_value;

mygpio_value = ioread32(base_addr); // read out data

seq_printf(p, "led = 0x%x ", mygpio_value);

mygpio_value = ioread32(base_addr+0x01); // read out data

seq_printf(p, "switch = 0x%x ", mygpio_value);

mygpio_value = ioread32(base_addr+0x02); // read out data

seq_printf(p, "button = 0x%x ", mygpio_value);

mygpio_value = ioread32(base_addr+0x03); // read out data

seq_printf(p, "reg3 = 0x%x ", mygpio_value);

return 0;

}

Ps~关于这块，我在想，既然修改的地方这么具有规律性，那么是不是能够设计出一种方法自动创建驱动程序模板，从而可以把精力集中在读写函数的实现上来？

3 测试结果：

开关这块稍微有点问题：bit3状态读取结果始终为1，改变sw位置无效，具体原因待查。Button和led正常（测试button时，长按5个按键中间一个BTNC）。

附1： 错误笔记

正所谓无知者无畏，在没有完全掌握一些知识就妄下定论，是不负责任的，以后要多注意。

上一篇博文提到：“这里发现一点小问题，初始化proc_myled_opertaions.read时使用了seq_read，但在驱动程序里定义的读函数却是proc_myled_show，在实际使用时，读led状态也是失败的。所以这里的初始化应该是有问题的，下次要改掉测试一下。”最近又深入学习了驱动程序里的各个函数，发现使用seq_read对proc_myled_operations.read进行初始化是正确的，是一种“套路”。

调用cat指令时，系统首先会调用proc_myled_open()函数，在open()函数内会调用proc_myled_show将读取到的数据存入seq_file。读失败的真正原因是Vivado中使用的axi-gpio IP核导致，该IP核的引脚用作输入时，需要操作方向寄存器，将引脚设为输入才可以读取到引脚状态。但我尝试操作方向寄存器总是失败，换成自己的IP，操作多个寄存器又没有问题，不知道咋回事……

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