pwm驱动 ================ pwm在嵌入式设备中使用很多，常用于控制电机、控制振动器件、调节背光、呼吸灯等等。这一章就来学习zynq平台上Linux系统中的pwm驱动的实现方法。 zynq上的pwm实现 -------------------- 修改vivado工程 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ zynq平台上输出pwm需要借助pl端(fpga)的资源。 整个过程这里就不详细说了，添加pwm的ip之后结果如下： .. image:: images/16_media/image1.png ip添加完成后，需要修改xdc更改引脚约束，这里我们准备使用pwm来控制开发板上PL_LED4这个led。打开led.xdc文件，原先的J16脚是配置成led的，现在修改成pwm_0，如下图。 .. image:: images/16_media/image2.png 这里修改完后，原先gpio输出的ip就少了一个引脚的使用，我们对应修改一下ip，双击axi_gpio_led这个ip，打开配置界面，如下图： .. image:: images/16_media/image3.png .. image:: images/16_media/image4.png 把GPIO Width字段修改成3。这样就修改完成了，再导出硬件信息并重新定制一个petalinux系统。 控制pwm输出的方法 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 控制pwm输出有两个关键参数，一是频率，二是占空比。在上面我们配置好硬件信后，该如何去操作pwm的这两个参数呢。自定义IP可以理解为配置fpga的寄存器资源变成我们想要的设备，添加IP后，我们就可以像操作ARM资源一样，通过操作紧寄存器来操fpga的资源。那首先我们就要找到pwm设备的寄存器首地址。在菜单栏Window选项中打开Address Editor窗口。如图下： .. image:: images/16_media/image5.png .. image:: images/16_media/image6.png 就能找到ip对应的寄存器范围，这个寄存器首地址是vivado工程自动分配的，所以每个人的可能会不一样，当然也可以手动修改。 光是找到了寄存器首地址，还是不知道寄存器的具体设置方法，这里我们参考一下S2文档Vitis软件编写调试试验。 实验工程中的主函数如下图： .. image:: images/16_media/image7.png AX_PWM_mWriteReg函数用于设置寄存器的值，第一个参数是首地址，第二个参数是偏移量，第三个参数是目标值。 第一次调用AX_PWM_mWriteReg函数是设置频率。XPAR_AX_PWM_0_S00_AXI_BASEADDR的值就是我们上面在Address Editor界面中查到的首地址，看一下偏移量AX_PWM_S00_AXI_SLV_REG0_OFFSET的值为0。也就是说设置频率的寄存器就是首地址了。 第二次调用是设置占空比，首地址没变，偏移量AX_PWM_S00_AXI_SLV_REG1_OFFSET的值为4，也就是首地址加4。 Linux中的pwm框架 --------------------- 在Linux内核提供了一套完整的pwm框架。但是在zynq上使用这套框架需要注意，zynq上的pwm是借助fpga资源来实现的，自定义ip的寄存器设置可能会因人而异，因此要使用这套框架，需要保证自定义ip的一致。再者如果只是简单的pwm应用，如本章实验的led呼吸灯，使用这个框架就显得有些大材小用了。虽然在本章的实验中不会这个框架，但我们还是简单的介绍一下，了解一下其中的结构与设计思路。 pwm框架还是融入了驱动的分层思想，把pwm驱动分成了pwm_device(设备)和pwm_chip(芯片)两个部分，pwm_chip意为pwm的芯片，它可以输出单路或者多路pwm波形，而pwm_device即为使用pwm_chip其中一路或多路的设备，以本章例程led呼吸灯为例，led就是pwm_device，我们自定义的pwmip就是pwm_chip。pwm的框架一般会和platform框架结合使用。接下来我们分别介绍他们的实现方法。 pwm_device ~~~~~~~~~~~~~~~~~ 一个使用pwm的设备，需要关注四个参数：使能、极性、频率、占空比，对此pwm框架提供了以下方法来与之对应： 1) int pwm_enable(struct pwm_device \*pwm);和void pwm_disable(struct pwm_device \*pwm); pwm_enable函数用使能pwm输出，pwm_disable用于失能pwm输出。 2) int pwm_set_polarity(struct pwm_device \*pwm, enum pwm_polarity polarity); pwm_set_polarity用于设置极性，可选参数有PWM_POLARITY_NORMAL(普通)和PWM_POLARITY_INVERSED(反转)两种。 3) int pwm_config(struct pwm_device \*pwm, int duty_ns, int period_ns); pwm_config函数用于设置占空比和频率，参数duty_ns为占空比，period_ns为频率。 这些接口函数定义在文件include/linux/pwm.h中，他们都需要一个struct pwm_device类型的指针作为操作句柄。 pwm_device结构体则是指代使用pwm的设备，我们要使用这些接口，需要先获取一个pwm_device结构体。 获取pwm_device结构体的方法也定义在文件include/linux/pwm.h中。如下： 1) struct pwm_device \*pwm_get(struct device \*dev, const char\*con_id); struct pwm_device \*of_pwm_get(struct device_node \*np, const char\*con_id); 这两个方法将从指定设备(参数dev)的设备树节点或者直接从设备树节点(参数np)中去获取pwm_device。对设备树的格式要求如下： +-----------------------------------------------------------------------+ | bl: backlight { | | | | pwms = <&pwm 0 5000000 PWM_POLARITY_INVERTED>; | | | | pwm-names = "backlight"; | | | | } | +-----------------------------------------------------------------------+ bl: backlight即为设备节点名称。节点中的两个属性都是必须的 pwms指代这个设备用到的pwm列表，第一个参数&pwm实际是引用了pwm_chip节点，具体在讲pwm_chip的时候再说。第二个参数指代platform_device的设备号，具体根据实际情况来定，不一定会用到。第三个参数500000是pwm的默认周期，单位是纳秒。第四个参数是可选字段，表示极性。 pwm-names是与pwms相对应的pwm设备名称。"backlight"就是与&pwm 0 5000000 PWM_POLARITY_INVERTED相对应。 函数参数con_id用于指定相匹配的pwm设备，如果NULL，就会返回pwms中的第一个设备，如果指定名称如"backlight"，就会返回对应的设备。 2) void pwm_put(struct pwm_device \*pwm); 与获取get函数相对的put，用于释放pwm_device。pwm_device需要关注的事情就这些，pwm设备调用了接口函数后，最终就会调用pwm_chip中的操作函数，接下来我们再看pwm_chip。 pwm_chip ~~~~~~~~~~~~~~~ pwm_chip关在作用在于，它提供了pwm_device接口函数对应的操作函数集，pwm_chip结构体定义在include/linux/pwm.h中，如下： +-----------------------------------------------------------------------+ | struct pwm_chip { | | | | struct device \*dev; | | | | struct list_head list; | | | | const struct pwm_ops \*ops; | | | | int base; | | | | unsigned int npwm; | | | | struct pwm_device \*pwms; | | | | struct pwm_device \* (\*of_xlate)(struct pwm_chip \*pc, const struct | | of_phandle_args \*args); | | | | unsigned int of_pwm_n_cells; | | | | bool can_sleep; | | | | }; | +-----------------------------------------------------------------------+ dev为pwm chip对应的设备，一般由pwm driver对应的platform驱动指定且必须提供。 ops为pwm_device中接口函数对应的操作函数集，必须提供。 npwm为pwm chip可以支持的pwm_device个数，必须提供。 pwms为该pwm chip中pwm device的数组，kernel会自行分配，不需要手动设置。 重点介绍一下struct pwm_ops结构体指正ops。struct pwm_ops定义如下： +-----------------------------------------------------------------------+ | struct pwm_ops { | | | | int (\*request)(struct pwm_chip \*chip, struct pwm_device \*pwm); | | | | void (\*free)(struct pwm_chip \*chip, struct pwm_device \*pwm); | | | | int (\*config)(struct pwm_chip \*chip, struct pwm_device \*pwm, int | | duty_ns, int period_ns); | | | | int (\*set_polarity)(struct pwm_chip \*chip, struct pwm_device \*pwm, | | enum pwm_polarity polarity); | | | | int (\*enable)(struct pwm_chip \*chip, struct pwm_device \*pwm); | | | | void (\*disable)(struct pwm_chip \*chip, struct pwm_device \*pwm); | | | | #ifdef CONFIG_DEBUG_FS | | | | void (\*dbg_show)(struct pwm_chip \*chip, struct seq_file \*s); | | | | #endif | | | | struct module \*owner; | | | | }; | +-----------------------------------------------------------------------+ request和free函数已经弃用了。 函数与pwm_device接口函数中的pwm_config函数相对应，配置pwm_device的频率、占空比。必须提供。 enable、disable函数与pwm_device接口函数中的pwm_enable、pwm_disable函数相对应，用于使能/禁止pwm信号输出。必须提供。 set_polarity函数与pwm_device接口函数中的pwm_set_polarity函数对应，设置pwm信号的极性。可选。 定义一个pwm_chip之后，需要实现ops中至少config、enable、disable三个函数。初始化完成后，使用下面的函数向内核注册pwm_chip： +-----------------------------------------------------------------------+ | int pwmchip_add(struct pwm_chip \*chip); | +-----------------------------------------------------------------------+ 相对的注销使用函数： +-----------------------------------------------------------------------+ | int pwmchip_remove(struct pwm_chip \*chip); | +-----------------------------------------------------------------------+ 在实现config等函数时，需要通过设备树获取设备信息，pwm_chip在设备树中的节点格式并不固定，添加相关信息即可。如下: +-----------------------------------------------------------------------+ | pwm: pwm@43C20000 { | | | | compatible = "test-pwm"; | | | | reg = <0x43C20000 0x100>; | | | | }; | +-----------------------------------------------------------------------+ 上面再pwm_device的节点中有对pwm_chip的引用"pwms = <&pwm 0 5000000 PWM_POLARITY_INVERTED>;"。这里的&pwm，实际上就是引用如"pwm: `pwm@43C20000"这样的pwm_chip0节点。引用的目的也就是把device和chip `__\ 相关联。 专用的pwm芯片厂家会提供pwm_chip的驱动，但是xlinx斌没有提供，也许是考虑到自定义ip的多样性，因此在zynq平台上使用pwm框架，还需要驱动开发人员去实现pwm_chip，比较麻烦。 示例 ~~~~~~~~~~~ 设备树： .. code:: c pwm: pwm@43C20000 { compatible = "alinx-pwm"; reg = <0x43C20000 1>; #pwm-cells = <2>; }; pwm-led { compatible = "pwm-led"; pwms = <&pwm 0 5000000>; }; pwm_chip： 结合platform框架，从设备树中获取信息，注册pwm_chip。 .. code:: c struct ax_pwm_chip { struct pwm_chip chip; }; struct ax_pwm_chip ax_pwm; static int ax_pwm_config(struct pwm_chip *chip, struct pwm_device *pwm, int duty_ns, int period_ns) { return 0; } static int ax_pwm_enable(struct pwm_chip *chip, struct pwm_device *pwm) { return 0; } static void ax_pwm_disable(struct pwm_chip *chip, struct pwm_device *pwm) { } static const struct pwm_ops ax_pwm_ops = { .owner = THIS_MODULE, .config = ax_pwm_config, .enable = ax_pwm_enable, .disable = ax_pwm_disable, }; static int ax_pwm_probe(struct platform_device *pdev) { int err; ax_pwm.chip.dev = &pdev->dev; ax_pwm.chip.ops = &ax_pwm_ops; ax_pwm.chip.npwm = 1; err = pwmchip_add(&ax_pwm.chip); if (err < 0) { return err; } return 0; } static int ax_pwm_remove(struct platform_device *pdev) { int err; err = pwmchip_remove(&ax_pwm.chip); if (err < 0) { return err; } return 0; } static const struct of_device_id of_ax_pwm_match[] = { { .compatible = "alinx-pwm", }, { /* Sentinel */ }, }; static struct platform_driver ax_pwm_driver = { .driver = { .name = "alinx-pwm", .of_match_table = of_ax_pwm_match, }, .probe = ax_pwm_probe, .remove = ax_pwm_remove, }; module_platform_driver(ax_pwm_driver); pwm_device： 结合misc设备框架，注册pwm_device。 .. code:: c #define PWM_ON 0x100001 #define PWM_OFF 0x100002 struct pwm_device *ax_pwm_dev; static long ax_pwm_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { int ret; switch(cmd) { case PWM_ON: ret = pwm_config(ax_pwm_dev, 200000, 500000); pwm_enable(ax_pwm_dev); break; case PWM_OFF: ret = pwm_config(ax_pwm_dev, 0, 500000); pwm_disable(ax_pwm_dev); break; } return 0; } static struct file_operations ax_pwm_fops = { .owner = THIS_MODULE, .unlocked_ioctl = ax_pwm_ioctl, }; static struct miscdevice pwm_misc = { .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, .name = "ax-pwm", .fops = &ax_pwm_fops }; static int ax_pwm_init(void) { int ret; struct device_node *nd; nd = of_find_node_by_path("/pwm-led"); ax_pwm_dev = of_pwm_get(nd, "pwm-led"); misc_register(&pwm_misc); return 0; } static void ax_pwm_exit(void) { pwm_put(ax_pwm_dev); } module_init(ax_pwm_init); module_exit(ax_pwm_exit); 实验 --------- 本章实验结合platform和misc框架，实现简单的led呼吸灯。 原理图 ~~~~~~~~~~~~~ 和 **字符设备** 章节的原理图相同。 设备树 ~~~~~~~~~~~~~ 打开system-user.dtsi文件，在根节点中添加下面的节点： .. code:: c alinxpwm { compatible = "alinx-pwm"; reg-freq = <0x43C20000 1>; reg-duty = <0x43C20004 1>; }; compatible节点兼容性为”alinx-pwm”，之后的驱动代码中platform的of匹配表需要和这个属性一致。 reg-freq和reg-duty分别的频率和占空比的物理地址，从vivado中获得。 驱动程序 ~~~~~~~~~~~~~~~ 使用 petalinux新建名为”ax-pwm”的驱劢程序，并执行 petalinux-config -c rootfs 命令选上新增的驱动程序。 在 ax-pwm.c 文件中输入下面的代码： .. code:: c #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include /* 设备节点名称 */ #define DEVICE_NAME "ax_pwm" /* 设备号个数 */ #define DEVID_COUNT 1 /* 驱动个数 */ #define DRIVE_COUNT 1 /* 主设备号 */ #define MAJOR_AX /* 次设备号 */ #define MINOR_AX /* 设置频率 */ #define PWM_FREQ 0x100001 /* 设置占空比 */ #define PWM_DUTY 0x100002 /* 把驱动代码中会用到的数据打包进设备结构体 */ struct alinx_char_dev{ dev_t devid; //设备号 struct cdev cdev; //字符设备 struct device_node *nd; //设备树的设备节点 unsigned int *freq; //频率的寄存器虚拟地址 unsigned int *duty; //占空比的寄存器虚拟地址 }; /* 声明设备结构体 */ static struct alinx_char_dev alinx_char = { .cdev = { .owner = THIS_MODULE, }, }; /* open函数实现, 对应到Linux系统调用函数的open函数 */ static int ax_pwm_open(struct inode *inode_p, struct file *file_p) { /* 设置私有数据 */ file_p->private_data = &alinx_char; return 0; } /* iotcl函数实现, 对应到Linux系统调用函数的iotcl函数 */ static long ax_pwm_ioctl(struct file *file_p, unsigned int cmd, unsigned long arg) { /* 获取私有数据 */ struct alinx_char_dev *dev = file_p->private_data; switch(cmd) { case PWM_FREQ: { *(dev->freq) = (unsigned int)arg; break; } case PWM_DUTY: { *(dev->duty) = (unsigned int)arg; break; } default : { break; } } return 0; } /* release函数实现, 对应到Linux系统调用函数的close函数 */ static int ax_pwm_release(struct inode *inode_p, struct file *file_p) { return 0; } /* file_operations结构体声明 */ static struct file_operations ax_char_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = ax_pwm_open, .unlocked_ioctl = ax_pwm_ioctl, .release = ax_pwm_release, }; /* MISC设备结构体 */ static struct miscdevice led_miscdev = { /* 自动分配次设备号 */ .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, .name = DEVICE_NAME, /* file_operations结构体 */ .fops = &ax_char_fops, }; /* probe函数实现, 驱动和设备匹配时会被调用 */ static int ax_pwm_probe(struct platform_device *dev) { /* 用于接受返回值 */ u32 ret = 0; /* 频率的寄存器物理地址 */ int freq_addr; /* 占空比的寄存器物理地址 */ int duty_addr; /* 获取设备节点 */ alinx_char.nd = of_find_node_by_path("/alinxpwm"); if(alinx_char.nd == NULL) { printk("gpioled node nost find\r\n"); return -EINVAL; } /* 获取寄存器中freq的地址 */ of_property_read_u32(alinx_char.nd, "reg-freq", &freq_addr); if(!freq_addr) { printk("can not get reg-freq\r\n"); return -EINVAL; } else { /* 映射地址 */ alinx_char.freq = ioremap(freq_addr, 4); } /* 获取寄存器中duty的地址 */ of_property_read_u32(alinx_char.nd, "reg-duty", &duty_addr); if(!duty_addr) { printk("can not get reg-duty\r\n"); iounmap((unsigned int *)alinx_char.freq); return -EINVAL; } else { /* 映射地址 */ alinx_char.duty = ioremap(duty_addr, 4); } /* 注册misc设备 */ ret = misc_register(&led_miscdev); if(ret < 0) { printk("misc device register failed\r\n"); return -EFAULT; } return 0; } static int ax_pwm_remove(struct platform_device *dev) { /* 释放虚拟地址 */ iounmap((unsigned int *)alinx_char.freq); iounmap((unsigned int *)alinx_char.duty); /* 注销misc设备 */ misc_deregister(&led_miscdev); return 0; } /* 初始化of_match_table */ static const struct of_device_id pwm_of_match[] = { /* compatible字段和设备树中保持一致 */ { .compatible = "alinx-pwm" }, {/* Sentinel */} }; /* 声明并初始化platform驱动 */ static struct platform_driver pwm_driver = { .driver = { /* name字段需要保留 */ .name = "alinx-pwm", /* 用of_match_table代替name匹配 */ .of_match_table = pwm_of_match, }, .probe = ax_pwm_probe, .remove = ax_pwm_remove, }; /* 驱动入口函数 */ static int __init pwm_drv_init(void) { /* 在入口函数中调用platform_driver_register, 注册platform驱动 */ return platform_driver_register(&pwm_driver); } /* 驱动出口函数 */ static void __exit pwm_drv_exit(void) { /* 在出口函数中调用platform_driver_register, 卸载platform驱动 */ platform_driver_unregister(&pwm_driver); } /* 标记加载、卸载函数 */ module_init(pwm_drv_init); module_exit(pwm_drv_exit); /* 驱动描述信息 */ MODULE_AUTHOR("Alinx"); MODULE_ALIAS("pwm_led"); MODULE_DESCRIPTION("PWM LED driver"); MODULE_VERSION("v1.0"); MODULE_LICENSE("GPL");    paltform和misc框架的部分可以参考 **misc设备驱动** 章节，几乎没变。 pwm的处理也很简单，从设备树中获取地址，然后再操作函数中操作地址。 33~36行定义了两个宏，用于ioctl的cmd，分别表示设置频率和设置占空比。 43行的freq用于从设备树中获取设置频率寄存器的地址。 44行的freq用于从设备树中获取设置占空比寄存器的地址。 测试程序 ~~~~~~~~~~~~~~~ 新建 QT 工程名为”ax-pwm-test”，新建 main.c，输入下面的代码： .. code:: c #include "stdio.h" #include "unistd.h" #include "sys/types.h" #include "sys/stat.h" #include "fcntl.h" #include "stdlib.h" #include "string.h" #include "sys/ioctl.h" #define FREQ_DEFAULT 1717900 /* 设置频率 */ #define PWM_FREQ 0x100001 /* 设置占空比 */ #define PWM_DUTY 0x100002 int main(int argc, char *argv[]) { int fd, retvalue, flag = 0; char *filename; unsigned int duty = 0x0fffffff; if(argc != 2) { printf("Error Usage\r\n"); return -1; } filename = argv[1]; fd = open(filename, O_RDWR); if(fd < 0) { printf("file %s open failed\r\n", argv[1]); return -1; } /* 设置频率 */ retvalue = ioctl(fd, PWM_FREQ, FREQ_DEFAULT); if(retvalue < 0) { printf("pwm Failed\r\n"); close(fd); return -1; } while(1) { if(duty <= 0xefffffff && 0 == flag) { duty += 2000000; } else if(duty >= 0x0fffffff) { duty -= 500000; flag = 1; } else { flag = 0; } /* 设置占空比 */ retvalue = ioctl(fd, PWM_DUTY, duty); if(retvalue < 0) { printf("pwm Failed\r\n"); close(fd); return -1; } usleep(5); } return 0; } 运行测试 ~~~~~~~~~~~~~~~ 测试方法步骤如下： +-----------------------------------------------------------------------+ | mount -t nfs -o nolock 192.168.1.107:/home/alinx/work /mnt | | | | cd /mnt | | | | mkdir /tmp/qt | | | | mount qt_lib.img /tmp/qt | | | | cd /tmp/qt | | | | source ./qt_env_set.sh | | | | cd /mnt | | | | insmod ax-pwm.ko | | | | cd ./build-ax-pwm-test-ZYNQ-Debug | | | | ./ax-pwm-test /dev/ax_pwm | +-----------------------------------------------------------------------+ IP 和路径根据实际情况调整。 串口工具中的调试结果如下： .. image:: images/16_media/image8.png 开发板上的PL_LED4开始呼吸灯式的和闪烁。