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正点原子嵌入式linux驱动开发——Linux PWM驱动

article 2024/11/19 23:23:00

PWM是很常用到功能，可以通过PWM来控制电机速度，也可以使用PWM来控制LCD的背光亮度。本章就来学习一下如何在Linux下进行PWM驱动开发。

PWM驱动解析

不在介绍PWM是什么了，直接进入使用。

给LCD的背光引脚输入一个PWM信号，这样就可以通过调整占空比的方式来调整LCD背光亮度了。提高占空比就会提高背光亮度，降低占空比就会降低背光亮度，重点就在于PWM信号的产生和占空比的控制。

设备树下PWM控制器节点

定时器节点

STM32MP157有很多路PWM，这些PWM都是由定时器产生的：

TIM1/TIM8：这2个是16位高级定时器，主要用于电机控制。这两个定时器支持PWM型号，每个定时器支持4通道PWM信号。
TIM2/TIM3/TIM4/TIM5：这4个是通用定时器，TIM3/TIM4是16位定时器，TIM2/TIM5是32位定时器。这4个定时器也支持PWM输出，每个定时器支持4通道PWM信号。
TIM12/TIM13/TIM14：这3个都是16 位的通用定时器，TIM12支持2通道的PWM信号，TIM13/TIM14这两个定时器每个只支持1个通道的PWM信号。
TIM15/TIM16/TIM17：这3个也都是16位的通用定时器，TIM15支持2通道的PWM信号，TIM16/TIM17每个定时器支持1通道的PWM信号。

可以看出，STM32MP157的PWM通道非常多，不同的PWM通道功能也不同，可以
根据实际情况选择合适的PWM通道。本节使用PA10这个引脚来实现PWM功能，注意！PA10这个引脚被用作USB的ID引脚，如果所使用的开发板使用了PA10作为USB OTG的ID引脚，那么在做本实验的时候开发板的USB OTG接口不能连接到电脑上！正点原子STM32MP157开发板的USB接口采用TypeC接口，因此没有用到PA10作为ID引脚。

打开STM32MP157的数据手册，可以看到PA10可以作为TIM1的通道3。

TIM1简介

这里其实可以去看裸机开发的笔记，对TIM1这个高级定时器的介绍，我这边只关注Linux驱动部分。

TIM1设备节点

接下来看一下TIM1的设备树，STM32定时器设备树绑定信息文档为：Documentation/devicetree/bindings/mfd/stm32-timers.txt，简单总结一下定时器节点信息。

1、必须的参数

compatible：必须是“st,stm32-timers”。
reg：定时器控制器物理寄存器基地址，对于TIM1来说，这个地址为0x44000000，这个可以在STM32MP157的数据手册上找到。
clock-names：时钟源名字，设置为“int”。
clocks：时钟源。

2、可选的参数

resets：复位句柄，用来复位定时器控制器，可以参考文档reset/st,stm32-rcc.txt。
dmas：DMA通道，最多7通道的DMA。
dma-names：DMA名字列表，必须和“dmas”属性匹配，可选的名字有“ch1”、“ch2”、“ch3”、“ch4”、“up”、 “trig”、“com”。

3、可选的子节点

STM32定时器有多种功能，比如计时、PWM、计数器等，不同的功能需要用不同的子节点来表示，可选子节点有三种，分别对应不同的功能：

pwm：pwm子节点描述定时器的PWM功能，关于PWM的详细信息请参考绑定文档pwm/pwm-stm32.txt。
timer: timer子节点描述定时器的定时功能，定时相关信息请参考绑定文档iio/timer/stm32-timer-trigger.txt。
counter: counter子节点描述定时器的计数功能，相关信息请参考绑定文档counter/stm32-timer-cnt.txt。

了解完定时器的绑定文档以后，来看一下STM32MP157实际的定时器节点，打开stm32mp151.dtsi，找到名为“timers1”的设备节点，这个就是TIM1定时器节点，内容如下：
TIM1节点
第19-23行，TIM1的pwm功能子节点，这个是本小节重点关注的。

PWM设备子节点

通过上面对定时器绑定文档的讲解，知道PWM作为定时器的子节点，这里就来看一下PWM子节点绑定文档：Documentation/devicetree/bindings/pwm/pwm-stm32.txt，简单总结一下PWM子节点属性信息：

compatible：必须为“st,stm32-pwm”。
pinctrl-names：设置为“default”，也可以添加“sleep”，这样当进入低功耗的时候PWM引脚引入sleep模式。
pinctrl-n：PWM引脚pinctrl句柄，用来指定PWM信号输出引脚。
#pwm-cells：应该设置为3。

STM32MP157的PWM节点的compatible属性为“st,stm32-pwm”，可以在Linux内核源码中搜索这个字符串找到PWM驱动文件，这个文件为：drivers/pwm/pwm-stm32.c。

PWM子系统

Linux内核提供了PWM子系统框架，编写PWM驱动的时候一定要符合这个框架。PWM子系统的核心是pwm_chip结构体，定义在文件include/linux/pwm.h中，定义如下：

第292行，pwm_ops结构体就是PWM外设的各种操作函数集合，编写PWM外设驱动的时候需要开发人员实现。pwm_ops结构体也定义在pwm.h头文件中，定义如下：

pwm_ops中的这些函数不一定全部实现，但是配置PWM的函数必须实现，比如apply或者config。第264行的apply函数是最新的PWM配置函数，通过此函数来配置PWM的周期以及占空比，老的内核里面会使用第271行的config函数来配置PWM。其中第271-276行的config、set_polarity、enable和disable都是老版本内核所使用的函数。

PWM子系统驱动的核心初始化pwm_chip结构体，然后向内核注册初始化完成以后的pwm_chip。这里就要用到pwmchip_add函数，此函数定义在drivers/pwm/core.c文件中，函数原型如下：

int pwmchip_add(struct pwm_chip *chip)

函数参数和返回值含义如下：

chip：要向内核注册的pwm_chip。
返回值：0，成功；负数，失败。

卸载PWM驱动的时候需要将前面注册的pwm_chip从内核移除掉，这里要用到
pwmchip_remove函数，函数原型如下：

int pwmchip_remove(struct pwm_chip *chip)

函数参数和返回值含义如下：

chip：要移除的pwm_chip。
返回值：0，成功；负数，失败。

PWM驱动源码解析

简单分析一下Linux内核自带的STM32MP157 PWM驱动，驱动文件是pwm-stm32.c这个文件。打开这个文件，可以看到，这是一个标准的平台设备驱动文件，有如下所示：
STM32MP157 PWM平台驱动
第2行，当设备树PWM节点的compatible属性值为“st,stm32-pwm”的话就会匹配此驱动。

第14行，当设备树节点和驱动匹配以后stm32_pwm_probe函数就会执行。

在看stm32_pwm_probe函数之前先来看下stm32_pwm结构体，这个结构体是ST官方创建的STM32 PWM结构体，这个结构体会贯穿整个PWM驱动。stm32_pwm结构体定义在pwm-stm32.c文件中，结构体内容如下：

重点看一下第2行，这是一个pwm_chip结构体成员变量chip，前面说了PWM子系统的核心就是pwm_chip。

stm32_pwm_probe函数如下(有缩减)：

示例代码39.1.3.3 stm32_pwm_probe函数 
608 static int stm32_pwm_probe(struct platform_device *pdev) 
609 { 
610     struct device *dev = &pdev->dev; 
611     struct device_node *np = dev->of_node; 
612     struct stm32_timers *ddata = dev_get_drvdata(pdev->dev.parent); 
613     struct stm32_pwm *priv; 
614     int ret; 
615 
616     priv = devm_kzalloc(dev, sizeof(*priv), GFP_KERNEL); 
617     if (!priv) 
618         return -ENOMEM; 
619 
620     mutex_init(&priv->lock); 
621     priv->regmap = ddata->regmap; 
622     priv->clk = ddata->clk; 
623     priv->max_arr = ddata->max_arr; 
624     priv->chip.of_xlate = of_pwm_xlate_with_flags; 
625     priv->chip.of_pwm_n_cells = 3; 
626
627     if (!priv->regmap || !priv->clk) 
628         return -EINVAL; 
629 
630     ret = stm32_pwm_probe_breakinputs(priv, np); 
631     if (ret) 
632         return ret; 
633 
634     stm32_pwm_detect_complementary(priv); 
635 
636     priv->chip.base = -1; 
637     priv->chip.dev = dev; 
638     priv->chip.ops = &stm32pwm_ops; 
639     priv->chip.npwm = stm32_pwm_detect_channels(priv); 
640 
641     ret = pwmchip_add(&priv->chip); 
642     if (ret < 0) 
643         return ret; 
644 
645     platform_set_drvdata(pdev, priv); 
646 
647     return 0; 
648

第616行，priv是一个stm32_pwm类型的结构体指针变量，这里为其申请内存。stm32_pwm结构体有个重要的成员变量chip，chip是pwm_chip类型的。所以这一行就引出了PWM子系统核心部件pwm_chip，稍后的重点就是初始化chip。

第621-625行，初始化priv的各个成员变量，第624和625还初始化了pwm_chip的of_xlate和of_pwm_n_cells这两个成员变量。

第630行，调用stm32_pwm_probe_breakinputs函数来读取“st,breakinput”属性，设置break输入，本章例程用不到。

第634行，调用stm32_pwm_detect_complementary函数来检测是否使能TIM1的互补输出功能。

第636-639行，重点，初始化pwm_chip的各个成员变量，第638行设置pwm_chip的ops函数为stm32pwm_ops，stm32pwm_ops里面包含了PWM的具体操作，稍后重点分析。第639行设置pwm_chip的npwm，也就是设置当前打开多少路PWM。这里直接使用stm32_pwm_detect_channels函数来读取TIM1的CCER寄存器，CCER寄存器的CC1E(bit0)、CC2E(bit4)、CC3E(bit8)和CC4E(bit12)这4个位用于开启TIM1的4通道PWM，如果为1就表示对应的PWM通道打开。所以stm32_pwm_detect_channels函数就会直接读取这4个位来判断对应的PWM通道是否打开。

重点来看一下stm32pwm_ops，定义如下：
stm32pwm_ops操作集合
第487行stm32_pwm_apply_locked就是最终的PWM设置函数，在应用中设置的PWM频率和占空比最终就是由stm32_pwm_apply_locked函数来完成的，此函数会最终操作STM32相关的寄存器。

stm32_pwm_apply_locked函数源码如下：

第478行，加互斥锁，防止竞争的产生。一次只有一个应用可以设置PWM。

第479行，调用stm32_pwm_apply函数来设置 PWM。

stm32_pwm_apply函数内容如下：

第453行，在设置PWM之前，先调用stm32_pwm_disable函数关闭PWM。

第458行，调用stm32_pwm_set_polarity函数设置指定PWM通道的极性。

第460行，调用stm32_pwm_config来设置PWM的频率以及占空比。

第465行，PWM设置完成以后调用stm32_pwm_enable函数使能PWM。

stm32_pwm_config函数内容如下：

示例代码39.1.3.7 stm32_pwm_config函数 
322 static int stm32_pwm_config(struct stm32_pwm *priv, int ch, 
323                             int duty_ns, int period_ns) 
324 { 
325     unsigned long long prd, div, dty; 
326     unsigned int prescaler = 0; 
327     u32 ccmr, mask, shift; 
328 
329     /* Period and prescaler values depends on clock rate */ 
330     div = (unsigned long long)clk_get_rate(priv->clk) * period_ns; 
331 
332     do_div(div, NSEC_PER_SEC); 
333     prd = div; 
334 
335     while (div > priv->max_arr) { 
336         prescaler++; 
337         div = prd; 
338         do_div(div, prescaler + 1); 
339     } 
340 
341     prd = div; 
342 
343     if (prescaler > MAX_TIM_PSC) 
344         return -EINVAL; 
345 
346     /* 
347      * All channels share the same prescaler and counter so when two
348      * channels are active at the same time we can't change them 
349      */ 
350     if (active_channels(priv) & ~(1 << ch * 4)) { 
351         u32 psc, arr; 
352 
353         regmap_read(priv->regmap, TIM_PSC, &psc); 
354         regmap_read(priv->regmap, TIM_ARR, &arr); 
355 
356         if ((psc != prescaler) || (arr != prd - 1)) 
357             return -EBUSY; 
358     } 
359 
360     regmap_write(priv->regmap, TIM_PSC, prescaler); 
361     regmap_write(priv->regmap, TIM_ARR, prd - 1); 
362     regmap_update_bits(priv->regmap, TIM_CR1, TIM_CR1_ARPE, TIM_CR1_ARPE); 
363 
364     /* Calculate the duty cycles */ 
365     dty = prd * duty_ns; 
366     do_div(dty, period_ns); 
367 
368     write_ccrx(priv, ch, dty); 
369 
370     /* Configure output mode */ 
371     shift = (ch & 0x1) * CCMR_CHANNEL_SHIFT; 
372     ccmr = (TIM_CCMR_PE | TIM_CCMR_M1) << shift; 
373     mask = CCMR_CHANNEL_MASK << shift; 
374 
375     if (ch < 2) 
376         regmap_update_bits(priv->regmap, TIM_CCMR1, mask, ccmr); 
377     else 
378         regmap_update_bits(priv->regmap, TIM_CCMR2, mask, ccmr); 
379 
380     regmap_update_bits(priv->regmap, TIM_BDTR, TIM_BDTR_MOE, TIM_BDTR_MOE); 
381 
382     return 0; 
383 }

PWM的设置主要就是两方面：频率和占空比。第330~362行都是设置PWM频率的，函数参数period_ns为周期值，也就是PWM的频率。TIM的PSC寄存器用来设置定时器分频值，当TIM时钟源确定以后，设置PSC分频值即可得到TIM最终的时钟频率。TIM的ARR寄存器是自动加载寄存器，将TIM设置为向下计数器，定时器开启以后每个时钟周期，计数器减一，直到计数器减为0。这个时候再将ARR里面的值加载到计数器里面，计数器就会重新开始倒计时，如此一直重复。因此PSC和ARR这两个寄存器就决定了PWM的周期值。要注意！由于一个定时器有4通道的 PWM，而这4路PWM只能设置成同一个周期，如果想要多路周期不同的PWM信号，那就要使用多个不同的TIM！

第365-380行，设置PWM的占空比，参数duty_ns表示占空比。一个定时器下的4路PWM可以设置不同的占空比，相当于一个定时器下的4路PWM信号，周期是一样的，但是占空比可以不同。占空比的设计原理比较简单，前面我们已经知道当定时器时钟频率确定以后(PSC分频值不变)，ARR寄存器里面的值就决定了PWM周期，这个数值就叫比较值，改变比较值就可以改变PWM的占空比。STM32MP157一个定时器有4路PWM通道，每个通道都有个用来存放比较值的寄存器，因此一共有4个寄存器CCR1-CCR4，这4个寄存器就叫做比较寄存器。所以第365、366行就是根据参数duty_ns算出对应的CCRx(x=1~4)寄存器对应的值，然后在368行通过write_ccrx函数将相应的值写入到对应的
CCRx寄存器里面。

第371-378行是设置PWM输出模式，通道1和通道2使用CCMR1寄存器，通道3和通道4使用CCMR2寄存器。最后的380行设置BDTR寄存器，这个寄存器是break和死区控制相关的，本章用不到。

至此，STM32MP157的PWM驱动就分析完了。

PWM驱动编写

修改设备树

PWM驱动就不需要再编写了，ST已经写好了，前面也已经详细的分析过这个驱动源码了。在实际使用的时候只需要修改设备树即可(这个可以类比裸机开发用HAL库)，STM32MP157开发板上的JP1排针引出了 PA10这个引脚，如下图所示：
PA10引脚
PA10可以作为TIM1的通道3的PWM输出引脚，所以需要在设备树里面添加PA10的引脚信息以及TIM1通道3的PWM信息。

添加PA10引脚信息

打开stm32mp15-pinctrl.dtsi文件，在iomuxc节点下添加GPIO1_IO04的引脚信息，如下所示：

示例代码39.2.1.1 TIM1 PWM引脚信息 
1  pwm1_pins_a: pwm1-0 { 
2      pins { 
3          pinmux = <STM32_PINMUX('E', 9, AF1)>, /* TIM1_CH1 */ 
4                   <STM32_PINMUX('E', 11, AF1)>, /* TIM1_CH2 */ 
5                   <STM32_PINMUX('E', 14, AF1)>; /* TIM1_CH4 */ 
6          bias-pull-down; 
7          drive-push-pull; 
8          slew-rate = <0>; 
9      }; 
10 }; 
11 
12 pwm1_sleep_pins_a: pwm1-sleep-0 { 
13     pins { 
14         pinmux = <STM32_PINMUX('E', 9, ANALOG)>, /* TIM1_CH1 */ 
15                  <STM32_PINMUX('E', 11, ANALOG)>, /* TIM1_CH2 */ 
16                  <STM32_PINMUX('E', 14, ANALOG)>; /* TIM1_CH4 */ 
17     }; 
18 };

可以看出ST官方已经设置好了TIM1的CH1、CH2和CH4这三个通道的引脚配置，但是这里只需要CH3，因此将示例代码29.2.1.1改成如下所示：

示例代码39.2.1.2 PA10引脚配置 
1  pwm1_pins_a: pwm1-0 { 
2      pins { 
3          pinmux = <STM32_PINMUX('A', 10, AF1)>; /* TIM1_CH3 */ 
4          bias-pull-down; 
5          drive-push-pull; 
6          slew-rate = <0>; 
7      }; 
8  }; 
9 
10 pwm1_sleep_pins_a: pwm1-sleep-0 { 
11     pins { 
12         pinmux = <STM32_PINMUX('A', 10, ANALOG)>; /* TIM1_CH3 */ 
13     }; 
14 };

示例代码39.2.1.2中仅仅将PA10复用为TIM1的CH3，一定要根据自己所使用的板子硬件来配置引脚。

向timer1节点追加信息

stm32mp151.dtsi文件中已经有了“timers1”节点，但是这个节点默认是disable的，而且还不能直接使用。需要在stm32mp157d-atk.dts文件中向timers1节点追加一些内容，在stm32mp157d-atk.dts文件中加入如下所示内容：

示例代码39.2.1.3 向timers1添加的内容 
1  &timers1 { 
2      status = "okay"; 
3      /* spare all DMA channels since they are not needed for PWM output */ 
4      /delete-property/dmas; 
5      /delete-property/dma-names; 
6      pwm1: pwm { 
7          pinctrl-0 = <&pwm1_pins_a>; 
8          pinctrl-1 = <&pwm1_sleep_pins_a>; 
9          pinctrl-names = "default", "sleep"; 
10         #pwm-cells = <2>; 
11         status = "okay"; 
12     }; 
13 };

第 4、5行，关闭DMA功能，因为PWM输出不需要DMA。

第7行，pinctrl-0属性指定TIM1的CH3所使用的输出引脚对应的pinctrl节点，这里设置
为示例代码39.2.1.2中的pwm1_pins_a。

屏蔽其他复用的IO

检查一下设备树中有没有其他外设用到PA10，如果有的话需要屏蔽掉！注意，不能只屏蔽掉PA10的 pinctrl配置信息，也要搜索一下“gpioa 10”，看看有没有哪里用到，用到的话也要屏蔽掉。

设备树修改完成后重新编译设备树，然后使用新的设备树启动系统。

使能PWM驱动

ST官方的Linux内核已经默认使能了PWM驱动，所以不需要修改，但是为了学习，还是需要知道怎么使能。打开Linux内核配置界面，按照如下路径找到配置项：

-> Device Drivers
-> Pulse-Width Modulation (PWM) Support
-> <*> STMicroelectronics STM32 PWM //选中

配置如下图所示：
PWM配置项

PWM驱动测试

确定TIM1对应的pwmchipX问价

使用新的设备树启动系统，然后将开发板上的PA10引脚连接到示波器上，通过示波器来查看PWM波形图。可以直接在用户层来配置PWM，进入目录/sys/class/pwm中，如下图所示：
TIM1对应的PWM
注意！上图中有个pwmchip0，但是并不知道这个pwmchip0是否为TIM1对应的文件。可以通过查看pwmchip0对应的地址是否和TIM1定时器寄存器起始地址是否一致来确定其是否属于TIM1。进入到pwmchip0目录下，会打印出其路径：
pwmchip0路径名称
从上图可以看出pwmchip0对应的定时器寄存器起始地址为0X44000000，根据示例代码39.1.1.1中的timers1节点，可以知道TIM1这个定时器的寄存器起始地址就是0X44000000。因此，pwmchip0就是TIM1对应的文件。

为什么要用这么复杂的方式来确定定时器对应的pwmchip文件呢？因为当STM32MP157开启多个定时器的PWM功能以后，其pwmchip文件就会变！

调出pwmchip0的pwm2子目录

pwmchip0是整个TIM1的总目录，而TIM1有4路PWM，每路都可以独立打开或关闭。CH1-CH4对应的编号为0~3，因此打开TIM1的CH3输入如下命令：

echo 2 > /sys/class/pwm/pwmchip0/export

上述命令中2就是TIM1_CH3，如果要打开TIM1的CH1，那就是0。执行完成会在pwmchip0目录下生成一个名为“pwm2”的子目录，如下图所示：
新生成的pwm2子目录

设置PWM频率

注意，这里设置的是周期值，单位为ns，比如20KHz频率的周期就是50000ns，输入如下命令：

echo 50000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm2/period

设置PWM的占空比

这里不能直接设置占空比，而是设置的一个周期的ON时间，也就是高电平时间，比如20KHz频率下20%占空比的ON时间就是10000，输入如下命令：

echo 10000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm2/duty_cycle

使能TIM1 CH3

一定要先设置频率和波特率，最后在开启定时器，否则会提示参数错误！输入如下命令使能TIM1的通道3这路PWM：

echo 1 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm2/enable

设置完成使用示波器查看波形是否正确，正确的话如下图所示：
PWM波形图
从上图可以看出，此时PWM频率为20KHz，占空比为20%，与设置的一致。如果要修改频率或者占空比的话一定要注意这两者时间值，比如20KHz频率的周期值为50000ns，那么在调整占空比的时候ON时间就不能设置大于50000，否则就会提示参数无效。