前面的兩篇Linux驅動文章

【i.MX6ULL】驅動開發1--字符設備開發模板

【i.MX6ULL】驅動開發2--新字符設備開發模板

介紹了字符設備驅動的兩種新舊開發方式，并使用一個虛擬的字符驅動來學習字符設備的開發的流程。

本篇起，就要來操作Linux開發板的硬件，首先當然是通過經典的點亮LED燈程序，來學習Linux IO口操作的字符設備開發流程。

對比STM32的點燈程序，有寄存器操作與庫函數操作兩種，但其本質都是在配置寄存器。

同樣，i.MX6ULL也有多種點燈方式：

裸機系統：匯編操作寄存器點燈、C語言操作寄存器點燈

跑Linux系統：字符驅動LED點燈、設備樹驅動LED點燈

究其本質，最終都是要操作i.MX6ULL的寄存器。比如，在控制GPIO引腳實現LED亮滅時，會進行類似如下的寄存器配置：

/* 寄存器物理地址 */

#define CCM_CCGR1_BASE              (0X020C406C)    

#define SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE   (0X02290014)

#define SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE   (0X02290058)

#define GPIO5_DR_BASE               (0X020AC000)

#define GPIO5_GDIR_BASE             (0X020AC004)

那這些寄存器都是什么作用呢？這些地址是怎么確定的呢？

所以，在學習GPIO控制LED點燈之前，需要先了解清楚有關GPIO的寄存器配置。

既然是要操作硬件，首先就來看一下i.MX6ULL這個芯片的IO口基本信息。

1 認識Linux開發板的GPIO口

首先要明確：IO與GPIO是兩個概念，GPIO是屬于IO的一部分。

IO: Input Output，用于CPU與外界進行信息交互。例如CPU 讀內存數據需要 I/O 系統，CPU 輸出數據到屏幕顯示出來也需要 I/O 系統，信息在 I/O 系統上傳輸有串行或并行。

GPIO: General-Purpose IO ports，即通用I/O口，在微控制器芯片上一般都會提供一個“通用可編程I/O接口”。接口至少有兩個寄存器——數據寄存器與控制寄存器。數據寄存器的各位直接引到芯片外部，控制寄存器則是對數據寄存器中每一位進行獨立的設置。

1.1 板子LED硬件原理圖

在開始介紹i.MX6ULL的GPIO之前，先來看一下板子的原理中對于LED的標注。

我這塊板子(野火EBF6ULL S1 Pro)的原理圖中關于LED電路的部分，如下圖所示。

這里出現了兩種標注：SNVS_TAMPER3與GPIO5_IO03，先對這兩個名稱有個印象，下面就來介紹其含義。

另外，從原理圖可以看出，低電平時LED燈會亮起。

1.2 GPIO邏輯結構

下圖為i.MX6ULL的GPIO硬件結構框圖，其中①和⑤的PAD表示i.MX6ULL芯片引出的GPIO引腳，其余部件都位于芯片內部。

① PAD：它代表了i.MX6ULL芯片的一個GPIO引腳。

② IOMUX復用選擇器：與STM32的引腳復用功能類似，i.MX6ULL芯片的每個IO通過IOMUXC中的MUX寄存器和PAD寄存器設置，可以支持多種功能(如GPIO、IIC、USART...)。

③ Block外設功能控制塊：例如具有PWM輸出功能的引腳，它需要PWM外設的支持。

④ GPIO外設：GPIO模塊是每個IO都具有的外設， 它是IO控制的基本功能， 如輸出高低電平、 檢測電平輸入等。當需要使用引腳的GPIO功能時，就要配置GPIO外設中的各個寄存器(DR、GDIR、PSR...)。

⑤ 與其它引腳的連接：這里是另一個引腳PAD2，它與PAD1有一根信號線連接，表示部分引腳的輸出可以作為另一個引腳的輸入。

1.2.1 PAD配置

PAD代表示i.MX6ULL 的GPIO引腳。其左側是一系列信號通道及控制線:

input_on控制輸入開關

Dir 控制引腳的輸入輸出方向

Data_out 控制引腳輸出高低電平

Data_in 作為信號輸入

這些信號都經過一個IOMUX器件連接到左側的寄存器。

另外，對于每個引腳都有很多關于屬性的配置：

① PAD引腳

框圖最右側的PAD同樣是代表一個i.MX6ULL引腳。

② 輸出緩沖區（OBE，output buffer enable）

當輸出緩沖區使能時，引腳被配置為輸出模式。該模式又包含了如下的屬性配置：

DSE 驅動能力配置：通過調整芯片內部與引腳串聯電阻 R0 的大小，從而改變引腳的驅動能力。可以把R0的值配置為原值的1/2、1/3?1/7 等。

SRE 壓擺率配置：指電壓轉換速率，即電壓由波谷升到波峰的時間。增大壓擺率可減少輸出電壓的上升時間。

SPEED 帶寬配置：帶寬的意思是能通過這個IO口最高的信號頻率，可設置為50MHz、100MHz以及200MHz。

ODE 開漏輸出配置：開漏輸出模式常用在一些通訊總線中，如I2C。

③ 輸入緩沖區（IBE，input buffer enable）

當輸入緩沖區使能時，引腳被配置為輸入模式。該模式又包含了如下的屬性配置：

HYS 滯后使能：i.MX6ULL的輸入檢測可以使用普通的 CMOS 檢測或施密特觸發器模式（滯后模式）。

④ Pull/Keeper上下拉、保持器

引腳的控制中還包含了上下拉、保持器的功能。

PUS 上下拉配置：可選為100K歐下拉以及22K歐、47K歐及100K歐上拉。

PUE 上下拉、保持器選擇：上下拉功能和保持器功能是二選一的，可以通過PUE來選擇。

PKE 上下拉、保持器配置：上下拉功能和保持器還通過PKE來控制是否使能。

1.2.2 IOMUX復用選擇器

與STM32的引腳復用功能類似，i.MX6ULL芯片的每個GPIO通過IOMUX設置，可以支持多種功能。

IOMUX由其左側的IOMUXC提供寄存器給用戶進行配置，它又分成MUX_Mode（IO 模式控制）以及Pad Settings（Pad 配置）兩個部分：

① MUX_Mode配置：用來配置引腳的復用功能

② Pad Settings 配置：配置引腳的屬性，例如驅動能力，是否使用上下拉電阻，是否使用保持器，是否使用開漏模式以及使用施密特模式還是CMOS模式等

在IOMUXC外設中關于MUX_Mode和Pad Settings寄存器命名格式如下:

IOMUXC 控制類型	寄存器名稱
MUX_Mode	IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XXXX
Pad Settings	IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_XXXX

1.3 GPIO命名

1.3.1 按照GPIO分組

i.MX6ULL芯片的GPIO被分成 5 組, 并且每組GPIO的數量不盡相同，例如GPIO1有32個引腳，GPIO2有22個引腳等等：

GPIO組	引腳數	名稱
GPIO1	32	GPIO1_IO0~GPIO1_IO31
GPIO2	22	GPIO2_IO0~GPIO2_IO21
GPIO3	29	GPIO3_IO0~GPIO3_IO28
GPIO4	29	GPIO4_IO0~GPIO4_IO28
GPIO5	12	GPIO5_IO0~GPIO5_IO11

具體可查閱數據手冊：

1.3.2 按照IO分組

此外，還有另一種命名方式，因為GPIO是屬于IO的一種，因此按照I.MX6ULL的IO分類，可以分為兩大類：SNVS域的IO和通用的IO，這兩類IO本質上是一樣的。

IO類別	命名類型
SNVS域的IO	IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX
通用的IO	IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX

SNVS域的IO: 命名形式為IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX

XX_XX可以是如: BOOT_MODE0、SNVS_TAMPER0、TEST_MODE等。

通用的IO: 命名形式為IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX

XX_XX可以是如: GPIO1_IO01、UART1_TX_DATA、JTAG_MOD等。

所以，從IO名稱上，基本就可以看出該管腳的基本用途。

2 板子LED引腳配置

下面以 GPIO5_IO03引腳為例，也就是這次要控制的LED引腳，進行配置:

2.1 IO配置

2.1.1 配置MUX寄存器

從下圖可以看出，IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3的MUX寄存器，其地址為0X2290014H。

這個寄存器是32位的，但只用到了低5位，其中bit0~bit3(MUX_MODE)就是設置SNVS_TAMPER3的復用功能的。

SNVS_TAMPER3只能復用為 種功能 IO，即ALT5作為 GPIO5_IO03。

2.1.2 配置PAD寄存器

PAD 寄存器的配置項相對于MUX寄存器就更加豐富了。

從下圖可以看出，IOMUXC_SNVS_SW_PAD_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3的PAD寄存器，其地址為0X2290058H。

這也是個32位寄存器，但是只用到了其中的低17位。

2.2 GPIO配置

上面的MUX和PAD這兩種寄存器都是配置IO的，當把IO配置為了GPIO功能后，還有繼續對GPIO外設的各種寄存器進行配置：

2.2.1 配置DR寄存器

DR（data register），即數據寄存器，它是32位的，一個GPIO組最大只有32個IO，因此DR寄存器中的每個位都對應一個 GPIO。

當GPIO被配置為輸出模式后，向指定的位寫入數據那么相應的IO就會輸出相應的高低電平，例如，要設置GPIO5_IO03輸出低電平，那么就應該設置 GPIO5.DR=0x08。

當 GPIO被配置為輸入模式后，此寄存器就保存著對應IO的電平值，每個位對對應一個GPIO，例如，當GPIO5_IO03這個引腳接地的話，那么 GPIO5.DR 的bit3就是0。

2.2.2 配置GDIR寄存器

GDIR（GPIO direction register），即方向寄存器，也是32位的，用來設置某個GPIO的工作方向的，即輸入/輸出。

同樣的，每個IO對應一個位，如果要設置GPIO為輸入，就設置相應的位為0，如果要設置為輸出，就設置為 1。

比如要設置 GPIO5_IO03 為輸出，那么 GPIO5.GDIR=0x00；

2.2.3 配置PSR寄存器

PSR（Pad Status Register），即狀態寄存器，也是32位的。

注意它是一個只讀寄存器，每個IO對應一個位，讀取相應的位即可獲取對應的GPIO的狀(高低電平值)，功能和輸入狀態下的DR寄存器一樣。

這個寄存器使用ipg_clk_s時鐘，這意味著只有在訪問這個位時才對輸入信號進行采樣。所以，為了同步訪問這個寄存器都需要兩個等待狀態。

2.2.4 配置ICR1寄存器

ICR1（interrupt configuration register1）和ICR2，都是中斷控制寄存器， ICR1用于配置低16個GPIO，ICR2 用于配置高16 個GPIO。

ICR1寄存器中一個GPIO用兩個位，這兩個位用來配置中斷的觸發方式：

位設置	中斷觸發方式
00	低電平觸發
01	高電平觸發
10	上升沿觸發
11	下降沿觸發

以GPIO1_IO15為例， 若要設置該引腳為上升沿觸發中斷， 需要配置為：GPIO1.ICR1=2<<30。

2.2.5 配置ICR2寄存器

ICR1和ICR2（interrupt configuration register2），都是中斷控制寄存器， ICR1用于配置低16個GPIO，ICR2 用于配置高16 個GPIO。

若要設置GPIO1的IO16~31的話就需要設置ICR2寄存器了，設置方式參考上面的ICR1。下面這個圖與ICR1類似，只截取部分顯示。

2.2.6 配置IMR寄存器

IMR（interrupt mask register），即中斷屏蔽寄存器，也是32位，每個IO對應一個位。

IMR寄存器用來控制GPIO的中斷禁止和使能，如果使能某個GPIO的中斷，那么設置相應的位為1即可，反之，如果要禁止中斷，那么就設 置相應的位為0即可。

例如，要使能GPIO1_IO00的中斷，需要配置為GPIO1.MIR=1。

2.2.7 配置ISR寄存器

ISR（interrupt status register），即中斷狀態寄存器，也是32位，每個IO對應一個位。

只要某個GPIO的中斷發生，則ISR中相應的位就會被置1。所以通過讀取ISR寄存器來判斷是否發生了中斷，類似于學習STM32用到的中斷標志位。

當中斷處理完以后，必須清除中斷標志位，清除方法就是向ISR中相應的位寫1，也就是寫1清零。

為了同步，讀訪問需要兩個等待狀態，復位需要一個等待狀態。

2.2.8 配置EDGE_SEL寄存器

EDGE_SEL（edge select register），即邊沿選擇寄存器，也是32位，每個IO對應一個位。

它用來設置邊沿中斷， 并會覆蓋ICR1和ICR2的設置。

如果相應的位被置1，則相當于設置了對應的GPIO是雙邊沿(上升沿和下降沿)觸發。例如，設置GPIO1.EDGE_SEL=1，則表示 GPIO1_IO01是雙邊沿觸發中斷，無論 GFPIO1_CR1的設置為多少。

2.3 GPIO各寄存器地址查詢表

上面介紹的有關GPIO的7種寄存器，為了方便查詢各個寄存器的地址，這里列出一張表：

2.4 時鐘配置

與ST32類似，I.MX6ULL每個外設都有一個外設時鐘，使用GPIO時，也必須先使能對應的時鐘。

2.4.1 配置CCM寄存器

CCM（Clock Controller Module）時鐘控制模塊寄存器用來使能外設時鐘。 CMM一共有CCM_CCGR0~CCM_CCGR6這 7 個寄存器，控制著I.MX6U的所有外設時鐘開關。

GPIOx	CCGRx（addr）	CGx
GPIO1_CLK_ENABLE	CCGR1（0X020C406C）	CG13
GPIO2_CLK_ENABLE	CCGR0（0X020C4068）	CG15
GPIO3_CLK_ENABLE	CCGR2（0X020C4070）	CG13
GPIO4_CLK_ENABLE	CCGR3（0X020C4074）	CG6
GPIO5_CLK_ENABLE	CCGR1（0X020C406C）	CG15

以CCM_CCGR0為例，它是個32位寄存器，每2位控制一個外設的時鐘，比如 bit31:30 控制著GPIO2 的外設時鐘，兩個位就有 4 種操作方式：

位設置	時鐘控制
00	所有模式下都關閉外設時鐘
01	只有在運行模式下打開外設時鐘，等待模式和停止模式下均關閉外設時鐘
10	未使用(保留)
11	除了停止模式以外，其他所有模式下時鐘都打開

若要打開GPIO2的外設時鐘，只需要設置CCM_CCGR0的bit31和bit30為1即可，即 CCM_CCGR0=3 << 30。

2.5 配置總結

使用i.MX6ULL的GPIO時，需要如下幾步配置：

使能 GPIO 對應的時鐘

配置MUX寄存器，設置IO的復用功能，使其復用為GPIO功能

配置PAD寄存器，設置 IO 的上下拉、速度等

配置GPIO的各種寄存器（DR、GDIR、...），設置輸入/輸出、是否使用中斷、默認輸出電平等

通過上面對各種寄存器的介紹，現在再來看本篇開頭提到的那幾個寄存器地址，如果理解了本篇的介紹，應該就知道這些地址大概的含義了：

/* 寄存器物理地址 */

#define CCM_CCGR1_BASE              (0X020C406C)    

#define SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE   (0X02290014)

#define SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE   (0X02290058)

#define GPIO5_DR_BASE               (0X020AC000)

#define GPIO5_GDIR_BASE             (0X020AC004)

3 總結

本篇主要介紹了i.MX6ULL有關GPIO的寄存器配置原理，本篇是i.MX6ULL操作硬件電路的基礎，了解了這些寄存器的配置原理，后續的LED輸出控制、按鍵輸入控制、IIC、SPI通信控制才能更加容易理解。

審核編輯：湯梓紅