【正点原子FPGA连载】第二十八章Linux蜂鸣器驱动实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之linux驱动开发指南

正点原子 · 发表于 2020-9-7 12:06:04

本帖最后由正点原子于 2020-9-16 13:01 编辑

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第二十八章Linux蜂鸣器驱动实验

上一章实验中我们借助gpio子系统编写了LED灯驱动，领航者开发板上还有一个蜂鸣器，从软件的角度考虑，蜂鸣器驱动和LED灯驱动其实是一摸一样的，都是控制IO输出高低电平。本章我们就来学习编写蜂鸣器的Linux驱动，也算是对上一章讲解的gpio子系统的巩固。

28.1有源蜂鸣器简介
蜂鸣器常用于计算机、打印机、报警器、电子玩具等电子产品中，常用的蜂鸣器有两种：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，这里的有“源”不是电源，而是震荡源，有源蜂鸣器内部带有震荡源，所以有源蜂鸣器只要通电就会叫。无源蜂鸣器内部不带震荡源，直接用直流电是驱动不起来的，需要2K-5K的方波去驱动。领航者开发板使用的是有源蜂鸣器，因此只要给其供电就会工作，开发板所使用的有源蜂鸣器如下图所示：

图 39.1.1 有源蜂鸣器

有源蜂鸣器只要通电就会叫，所以我们可以做一个供电电路，这个供电电路可以由一个IO来控制其通断，一般使用三极管来搭建这个电路。为什么我们不能像控制LED灯一样，直接将GPIO接到蜂鸣器的负极，通过IO输出高低来控制蜂鸣器的通断。因为蜂鸣器工作的电流比LED灯要大，直接将蜂鸣器接到开发板的GPIO上有可能会烧毁IO，所以我们需要通过一个三极管来间接的控制蜂鸣器的通断，相当于加了一层隔离。本章我们就驱动开发板上的有源蜂鸣器，使其周期性的“滴、滴、滴…..”鸣叫。
本节我们来看一下如果在Linux下编写蜂鸣器驱动需要做哪些工作：
①在设备树中创建蜂鸣器节点beeper；
②在蜂鸣器节点beeper中指定gpio；
③编写驱动程序和测试APP，和第二十七章的LED驱动程序和测试APP基本一样。
接下来我们就根据上面这三步来编写蜂鸣器Linux驱动程序。
28.2硬件原理图分析
打开领航者底板原理图文件，找到蜂鸣器电路原理图，如下所示：

图 39.2.1 蜂鸣器原理图

图 39.2.1中通过一个NPN型的三极管S8050来驱动蜂鸣器，通过BEEP这个IO来控制三极管Q1的导通，当BEEP输出高电平的时候Q1导通，相当于蜂鸣器的负极连接到GND，蜂鸣器形成一个通路，因此蜂鸣器会鸣叫。同理，当BEEP输出低电平的时候Q1不导通，那么蜂鸣器就没有形成一个通路，因此蜂鸣器也就不会鸣叫。
在原理图中搜索“BEEP”标号，可知BEEP连接到了ZYNQ的G18引脚，如下所示：

图 39.2.2 BEEP管脚

G18并不是MIO引脚，而是PL端的IO引脚，但是PS可以通过EMIO来连接PL端引脚，关于MIO和EMIO的详细内容请大家阅读《领航者ZYNQ之嵌入式开发指南》的第二和第三章的内容，这里就不给大家做过多的介绍。
本篇驱动开发篇使用的hdf文件对应的vivado工程，是笔者配置的，使能了EMIO，并将G18引脚绑定到了EMIO，如下所示：

图 39.2.3 EMIO连接G18引脚

所以由上面可以知道，G18连接到了EMIO的第7个引脚emio[6]，由于EMIO对应的GPIO起始编号是从54开始的，所以由此可知emio[6]对应的就是GPIO 60（54 + 6），关于MIO和EMIO编号的问题在《领航者ZYNQ之嵌入式开发指南》的第二和第三章有详细的说明。
所以目标很明确了，蜂鸣器就是通过GPIO 60控制的，那么在我们的驱动代码当中就是对GPIO 60进行控制从而控制蜂鸣器鸣叫和关闭！
28.3实验程序编写
本实验对应的例程路径为：ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7010\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\6_beeper。
本章也是直接在前面的实验当中进行修改。
28.3.1修改设备树文件
打开system-top.dts文件，在根节点“/”下创建一个名为beeper的节点，节点内容如下：
示例代码28.3.1.1 system-top.dts蜂鸣器节点beeper

42 beeper {
43 compatible = "alientek,beeper";
44 status = "okay";
45 default-state = "off";
46 beeper-gpio = <&gpio0 60 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
47 };

复制代码

第43行，设置beeper节点的compatible属性为“alientek,beeper”，我们在驱动代码中会区匹配这个属性的值。
第45行，将default-state属性的值设置为“off”，我们在代码中会根据default-state属性的值来设置蜂鸣器的初始化状态。
第46行，beeper-gpio属性指定所需的GPIO。
设备树编写完成以后使用下面这条命令重新编译设备树，如下所示：

图 39.3.1 重新编译设备树

将编译出来的system-top.dtb文件重命名为system.dtb，然后将system.dtb文件拷贝到开发板SD启动卡的FAT分区，替换旧的dtb文件。替换成功之后重新启动成功开发板，以后进入“/proc/device-tree”目录中查看“beeper”节点是否存在，如果存在的话就说明设备树基本修改成功(具体还要驱动验证)，结果如下图所示：

图 39.3.2 beeper节点

28.3.2蜂鸣器驱动程序编写
设备树准备好以后就可以编写驱动程序了，在我们的drivers目录下新建名为“6_beeper”的文件夹，然后在6_beeper文件中新建beeper.c文件，在beeper.c里面输入如下内容：
示例代码28.3.2.1 beeper.c文件内容

1 /***************************************************************
2 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
3 文件名 : beeper.c
4 作者 : 邓涛
5 版本 : V1.0
6 描述 : 领航者开发板蜂鸣器驱动文件。
7 其他 : 无
8 论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
9 日志 : 初版V1.0 2019/1/30 邓涛创建
10 ***************************************************************/
11
12 #include <linux/types.h>
13 #include <linux/kernel.h>
14 #include <linux/delay.h>
15 #include <linux/ide.h>
16 #include <linux/init.h>
17 #include <linux/module.h>
18 #include <linux/errno.h>
19 #include <linux/gpio.h>
20 #include <asm/mach/map.h>
21 #include <asm/uaccess.h>
22 #include <asm/io.h>
23 #include <linux/cdev.h>
24 #include <linux/of.h>
25 #include <linux/of_address.h>
26 #include <linux/of_gpio.h>
27
28 #define BEEPER_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define BEEPER_NAME "beeper" /* 名字 */
30
31 /* dtsled设备结构体 */
32 struct beeper_dev {
33 dev_t devid; /* 设备号 */
34 struct cdev cdev; /* cdev */
35 struct class *class; /* 类 */
36 struct device *device; /* 设备 */
37 int major; /* 主设备号 */
38 int minor; /* 次设备号 */
39 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
40 int gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
41 };
42
43 static struct beeper_dev beeper; /* led设备 */
44
45 /*
46 * @description : 打开设备
47 * @param – inode : 传递给驱动的inode
48 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
49 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
50 * @return : 0 成功;其他失败
51 */
52 static int beeper_open(struct inode *inode, struct file *filp)
53 {
54 return 0;
55 }
56
57 /*
58 * @description : 从设备读取数据
59 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
60 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
61 * @param - cnt : 要读取的数据长度
62 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
63 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
64 */
65 static ssize_t beeper_read(struct file *filp, char __user *buf,
66 size_t cnt, loff_t *offt)
67 {
68 return 0;
69 }
70
71 /*
72 * @description : 向设备写数据
73 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
74 * @param - buf : 要写给设备写入的数据
75 * @param - cnt : 要写入的数据长度
76 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
77 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
78 */
79 static ssize_t beeper_write(struct file *filp, const char __user *buf,
80 size_t cnt, loff_t *offt)
81 {
82 int ret;
83 char kern_buf[1];
84
85 ret = copy_from_user(kern_buf, buf, cnt); // 得到应用层传递过来的数据
86 if(0 > ret) {
87 printk(KERN_ERR "kernel write failed!\r\n");
88 return -EFAULT;
89 }
90
91 if (0 == kern_buf[0])
92 gpio_set_value(beeper.gpio, 0); // 如果传递过来的数据是0则关闭led
93 else if (1 == kern_buf[0])
94 gpio_set_value(beeper.gpio, 1); // 如果传递过来的数据是1则点亮led
95
96 return 0;
97 }
98
99 /*
100 * @description : 关闭/释放设备
101 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
102 * @return : 0 成功;其他失败
103 */
104 static int beeper_release(struct inode *inode, struct file *filp)
105 {
106 return 0;
107 }
108
109 /* 设备操作函数 */
110 static struct file_operations beeper_fops = {
111 .owner = THIS_MODULE,
112 .open = beeper_open,
113 .read = beeper_read,
114 .write = beeper_write,
115 .release = beeper_release,
116 };
117
118 static int __init beeper_init(void)
119 {
120 const char *str;
121 int ret;
122
123 /* 1.获取beeper设备节点 */
124 beeper.nd = of_find_node_by_path("/beeper");
125 if(NULL == beeper.nd) {
126 printk(KERN_ERR "beeper: Failed to get beeper node\n");
127 return -EINVAL;
128 }
129
130 /* 2.读取status属性 */
131 ret = of_property_read_string(beeper.nd, "status", &str);
132 if(!ret) {
133 if (strcmp(str, "okay"))
134 return -EINVAL;
135 }
136
137 /* 2、获取compatible属性值并进行匹配 */
138 ret = of_property_read_string(beeper.nd, "compatible", &str);
139 if(0 > ret) {
140 printk(KERN_ERR "beeper: Failed to get compatible property\n");
141 return ret;
142 }
143
144 if (strcmp(str, "alientek,beeper")) {
145 printk(KERN_ERR "beeper: Compatible match failed\n");
146 return -EINVAL;
147 }
148
149 printk(KERN_INFO "beeper: device matching successful!\r\n");
150
151 /* 4.获取设备树中的beeper-gpio属性，得到蜂鸣器所使用的GPIO编号 */
152 beeper.gpio = of_get_named_gpio(beeper.nd, "beeper-gpio", 0);
153 if(!gpio_is_valid(beeper.gpio)) {
154 printk(KERN_ERR "beeper: Failed to get beeper-gpio\n");
155 return -EINVAL;
156 }
157
158 printk(KERN_INFO "beeper: beeper-gpio num = %d\r\n", beeper.gpio);
159
160 /* 5.向gpio子系统申请使用GPIO */
161 ret = gpio_request(beeper.gpio, "Beeper gpio");
162 if (ret) {
163 printk(KERN_ERR "beeper: Failed to request gpio num %d\n", beeper.gpio);
164 return ret;
165 }
166
167 /* 6.将gpio管脚设置为输出模式 */
168 gpio_direction_output(beeper.gpio, 0);
169
170 /* 7.设置蜂鸣器的初始状态 */
171 ret = of_property_read_string(beeper.nd, "default-state", &str);
172 if(!ret) {
173 if (!strcmp(str, "on"))
174 gpio_set_value(beeper.gpio, 1);
175 else
176 gpio_set_value(beeper.gpio, 0);
177 } else
178 gpio_set_value(beeper.gpio, 0);
179
180 /* 8.注册字符设备驱动 */
181 /* 创建设备号 */
182 if (beeper.major) {
183 beeper.devid = MKDEV(beeper.major, 0);
184 ret = register_chrdev_region(beeper.devid, BEEPER_CNT, BEEPER_NAME);
185 if (ret)
186 goto out1;
187 } else {
188 ret = alloc_chrdev_region(&beeper.devid, 0, BEEPER_CNT, BEEPER_NAME);
189 if (ret)
190 goto out1;
191
192 beeper.major = MAJOR(beeper.devid);
193 beeper.minor = MINOR(beeper.devid);
194 }
195
196 printk("beeper: major=%d,minor=%d\r\n", beeper.major, beeper.minor);
197
198 /* 初始化cdev */
199 beeper.cdev.owner = THIS_MODULE;
200 cdev_init(&beeper.cdev, &beeper_fops);
201
202 /* 添加一个cdev */
203 ret = cdev_add(&beeper.cdev, beeper.devid, BEEPER_CNT);
204 if (ret)
205 goto out2;
206
207 /* 创建类 */
208 beeper.class = class_create(THIS_MODULE, BEEPER_NAME);
209 if (IS_ERR(beeper.class)) {
210 ret = PTR_ERR(beeper.class);
211 goto out3;
212 }
213
214 /* 创建设备 */
215 beeper.device = device_create(beeper.class, NULL,
216 beeper.devid, NULL, BEEPER_NAME);
217 if (IS_ERR(beeper.device)) {
218 ret = PTR_ERR(beeper.device);
219 goto out4;
220 }
221
222 return 0;
223
224 out4:
225 class_destroy(beeper.class);
226
227 out3:
228 cdev_del(&beeper.cdev);
229
230 out2:
231 unregister_chrdev_region(beeper.devid, BEEPER_CNT);
232
233 out1:
234 gpio_free(beeper.gpio);
235
236 return ret;
237 }
238
239 static void __exit beeper_exit(void)
240 {
241 /* 注销设备 */
242 device_destroy(beeper.class, beeper.devid);
243
244 /* 注销类 */
245 class_destroy(beeper.class);
246
247 /* 删除cdev */
248 cdev_del(&beeper.cdev);
249
250 /* 注销设备号 */
251 unregister_chrdev_region(beeper.devid, BEEPER_CNT);
252
253 /* 释放GPIO */
254 gpio_free(beeper.gpio);
255 }
256
257 /* 驱动模块入口和出口函数注册 */
258 module_init(beeper_init);
259 module_exit(beeper_exit);
260
261 MODULE_AUTHOR("DengTao <<a href="mailto:773904075@qq.com">773904075@qq.com</a>>");
262 MODULE_DESCRIPTION("Alientek ZYNQ GPIO Beeper Driver");
263 MODULE_LICENSE("GPL");

复制代码

beep.c中的内容和上一章的gpioled.c中的内容基本一样，基本上就是改了下命名。
28.3.3编写测试APP
测试APP程序直接将上一章工程目录下的ledApp.c文件拷贝到当前实验目录，将其重命名为beeperApp.c即可。
28.4运行测试
28.4.1编译驱动程序和测试APP
1、编译驱动程序
编写Makefile文件，直接将上一章实验目录下的Makefile文件拷贝到本实验目录，修改Makefile文件，将obj-m变量的值改为beeper.o，修改完成之后Makefile内容如下所示：
示例代码28.4.1.1 Makefile文件内容

1 KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
2
3 obj-m := beeper.o
4
5 all:
6 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
7
8 clean:
9 make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean

复制代码

第3行，设置obj-m变量的值为beeper.o。
修改完成之后保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件：

make

复制代码

编译成功以后就会生成一个名为“beeper.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试beeperApp.c这个测试程序：

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

复制代码

编译成功以后就会生成beeperApp这个应用程序，最终在本章实验实验目录下有如下文件：

图 39.4.1 本章实验目录下的文件

28.4.2运行测试
将上一小节编译出来的beeper.ko和beeperApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中，然后重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx目录，输入如下命令加载beeper.ko驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe beep.ko //加载驱动

复制代码

驱动加载成功以后会在终端中输出一些信息，如下图所示：

图 39.4.2 加载beeper.ko驱动模块

从图 39.4.2中可以看出，在内核驱动中获取到的GPIO0_60的编号为963，使用beeperApp软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令打开蜂鸣器：

./beeperApp /dev/beeper 1 //打开蜂鸣器

复制代码

执行上述命令之后，开发板的蜂鸣器是会鸣叫的，如果鸣叫的话说明驱动工作正常。在输入如下命令关闭蜂鸣器：

./beeperApp /dev/beeper 0 //关闭蜂鸣器

复制代码

执行上述命令后，开发板的蜂鸣器会停止鸣叫。如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod beep.ko

复制代码

【正点原子FPGA连载】第二十八章Linux蜂鸣器驱动实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之linux驱动开发指南

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