ARM Linux 驱动开发篇---基于 pinctrl+GPIO 子系统的蜂鸣器驱动开发（设备树版）--- Ubuntu20.04
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目录
3.1.1、添加 pinctrl 节点（配置 PIN 复用）
驱动入口函数 beep_init（第 112–170 行，驱动初始化）
驱动出口函数 beep_exit（第 177–186 行，资源释放）
前言
上一章我们通过pinctrl和GPIO子系统完成了 LED 灯驱动开发，而蜂鸣器驱动的核心逻辑和 LED 完全一致 —— 都是控制 GPIO 输出高低电平。本章将以蜂鸣器为例，巩固 pinctrl+GPIO 子系统的使用方法，同时熟悉不同 GPIO 引脚（SNVS_TAMPER1）的设备树配置和驱动适配。
一、硬件原理分析
- 该电路使用 PNP 型三极管 8550 驱动蜂鸣器，由
SNVS_TAMPER1引脚控制。 - 当
SNVS_TAMPER1输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器通电鸣叫。 - 当
SNVS_TAMPER1输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器断电停止鸣叫
实验硬件：I.MX6ULL-ALPHA 开发板；
内核版本：4.1.15；
硬件原理如上图。
二、蜂鸣器驱动核心原理
蜂鸣器驱动的开发流程和 LED 完全一致，核心三步：
1、设备树中添加 SNVS_TAMPER1 引脚的 pinctrl 复用配置；
2、设备树中创建蜂鸣器节点，绑定 GPIO 信息；
3、基于字符设备驱动框架编写驱动 + 测试 APP（复用 LED 驱动逻辑）。
三、实验程序编写
3.1、设备树修改总流程
3.1、修改设备树文件
LED 灯使用SNVS_TAMPER1引脚()，需在设备树中完成 3 项配置：
添加 pinctrl 节点。
添加beep 设备节点。
检查引脚冲突。
3.1.1、添加 pinctrl 节点（配置 PIN 复用）
打开开发板设备树imx6ull-alientek-emmc.dts，在&iomuxc节点的imx6ul-evk子节点下，新增pinctrl_beep子节点，配置 SNVS_TAMPER1 的复用和电气属性
pinctrl_beep: beepgrp { fsl,pins = < MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER1__GPIO5_IO01 0x10B0 /* beep：复用为GPIO5_IO01 */ >; };MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER1__GPIO5_IO01：SNVS_TAMPER1 引脚复用为 GPIO5_IO01（该宏定义在imx6ull-pinfunc-snvs.h中）；0x10B0：电气属性值（上下拉、驱动能力等，和 LED 配置一致）。
3.1.2、添加蜂鸣器设备节点
在设备树根节点/下创建beep节点，绑定 pinctrl 和 GPIO 信息：
beep { #address-cells = <1>; #size-cells = <1>; compatible = "atkalpha-beep"; /* 驱动匹配标识，自定义 */ pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&pinctrl_beep>; /* 绑定pinctrl节点 */ beep-gpio = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>; /* GPIO5_IO01，默认高电平（不叫） */ status = "okay"; };pinctrl-0 = <&pinctrl_beep>：关联上一步创建的 pinctrl 节点，内核自动初始化 PIN；
beep-gpio = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>：指定蜂鸣器使用 GPIO5 第 1 号引脚，高电平触发（需和硬件逻辑匹配）。
3.1.3、检查 PIN 是否被其他外设占用
和 LED 驱动一样，需检查 SNVS_TAMPER1 引脚是否被其他外设占用：
搜索SNVS_TAMPER1，确认无其他 pinctrl 节点使用该引脚；
搜索gpio5 1，确认 GPIO5_IO01 未被其他设备节点占用；
若有冲突，屏蔽对应配置行（加/* */）。
3.2、编译设备树
设备树编写完成以后使用如下命令重新编译设备树：
make dtbs再把新生成的imx6ull-alientek-emmc.dtb 文件复制到tftp里，使用如下命令：
sudo cp arch /arm/boot/dts/imx6ull-alientek-emmc.dtb/home/duan/linux/tftp/ -f然后使用新编译出来的 imx6ull-alientek-emmc.dtb 文件启动 Linux 系统。
启动成功以后进入“/proc/device-tree”目录中 查看“gpioled”节点是否存在，使用如下命令：
cd /proc/device-tree如下图所示：
可以看到beep节点是存在的。
3.3、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，本期实验是在之前博客的led实验基础上修改而来。新建名为“5_gpioled”文件夹，然后在 5_gpioled 工程创建好以后新建 gpioled.c 文件，驱动程序基于字符设备驱动框架，核心是通过 GPIO 子系统 API 操作 GPIO，无需直接操作寄存器。
3.3.1、驱动程序执行流程图
3.3.2、驱动代码
1 #include <linux/types.h> // 基本类型定义 2 #include <linux/kernel.h> // 内核核心函数（printk） 3 #include <linux/delay.h> // 延时函数 4 #include <linux/ide.h> // IDE相关宏 5 #include <linux/init.h> // 模块初始化/退出宏 6 #include <linux/module.h> // 模块核心头文件 7 #include <linux/errno.h> // 错误码定义 8 #include <linux/gpio.h> // GPIO子系统核心头文件 9 #include <linux/cdev.h> // 字符设备驱动核心头文件 10 #include <linux/device.h> // 设备类/设备节点创建 11 #include <linux/of.h> // 设备树核心头文件 12 #include <linux/of_address.h> // 设备树地址解析 13 #include <linux/of_gpio.h> // 设备树GPIO解析函数 14 #include <asm/mach/map.h> // 内存映射 15 #include <asm/uaccess.h> // 用户/内核空间数据拷贝 16 #include <asm/io.h> // IO操作函数 17 18 /*************************************************************** 19 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved. 22 版本 : V1.0 23 描述 : 蜂鸣器驱动程序。 26 ***************************************************************/ 27 #define BEEP_CNT 1 /* 设备号个数 */ 28 #define BEEP_NAME "beep" /* 设备名 */ 29 #define BEEPOFF 0 /* 关蜂鸣器 */ 30 #define BEEPON 1 /* 开蜂鸣器 */ 31 32 /* beep设备结构体：封装驱动所有资源 */ 33 struct beep_dev { 34 dev_t devid; /* 设备号 */ 35 struct cdev cdev; /* cdev */ 36 struct class *class; /* 类 */ 37 struct device *device; /* 设备 */ 38 int major; /* 主设备号 */ 39 int minor; /* 次设备号 */ 40 struct device_node *nd; /* 设备节点 */ 41 int beep_gpio; /* beep使用的GPIO编号 */ 42 }; 43 44 struct beep_dev beep; /* 定义beep设备结构体 */ 45 46 /* 47 * @description : 打开设备 48 * @param – inode : 传递给驱动的inode 49 * @param - filp : 设备文件，保存私有数据 50 * @return : 0 成功;其他 失败 51 */ 52 static int beep_open(struct inode *inode, struct file *filp) 53 { 54 filp->private_data = &beep; /* 绑定设备结构体到文件私有数据 */ 55 return 0; 56 } 57 58 /* 59 * @description : 向设备写数据（核心：控制蜂鸣器开关） 60 * @param - filp : 设备文件 61 * @param - buf : 用户空间写入的数据 62 * @param - cnt : 数据长度 63 * @param - offt : 文件偏移 64 * @return : 0 成功;负值 失败 65 */ 66 static ssize_t beep_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 67 { 68 int retvalue; 69 unsigned char databuf[1]; 70 unsigned char beepstat; 71 struct beep_dev *dev = filp->private_data; /* 获取设备结构体 */ 72 73 /* 从用户空间拷贝数据到内核空间 */ 74 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt); 75 if (retvalue < 0) { 76 printk("kernel write failed!\r\n"); 77 return -EFAULT; 78 } 79 80 beepstat = databuf[0]; /* 获取蜂鸣器状态（1=开，0=关） */ 81 if (beepstat == BEEPON) { 82 gpio_set_value(dev->beep_gpio, 0); /* 打开蜂鸣器（根据硬件逻辑调整电平） */ 83 } else if (beepstat == BEEPOFF) { 84 gpio_set_value(dev->beep_gpio, 1); /* 关闭蜂鸣器 */ 85 } 86 return 0; 87 } 88 89 /* 90 * @description : 关闭/释放设备 91 * @param - filp : 要关闭的设备文件 92 * @return : 0 成功;其他 失败 93 */ 94 static int beep_release(struct inode *inode, struct file *filp) 95 { 96 return 0; 97 } 98 99 /* 设备操作函数集 */ 100 static struct file_operations beep_fops = { 101 .owner = THIS_MODULE, 102 .open = beep_open, 103 .write = beep_write, 104 .release = beep_release, 105 }; 106 107 /* 108 * @description : 驱动入口函数（加载驱动时执行） 109 * @param : 无 110 * @return : 0 成功;负值 失败 111 */ 112 static int __init beep_init(void) 113 { 114 int ret = 0; 115 116 /* 1、获取设备树节点：beep */ 117 beep.nd = of_find_node_by_path("/beep"); 118 if (beep.nd == NULL) { 119 printk("beep node not find!\r\n"); 120 return -EINVAL; 121 } else { 122 printk("beep node find!\r\n"); 123 } 124 125 /* 2、解析设备树的beep-gpio属性，获取GPIO编号 */ 126 beep.beep_gpio = of_get_named_gpio(beep.nd, "beep-gpio", 0); 127 if (beep.beep_gpio < 0) { 128 printk("can't get beep-gpio\r\n"); 129 return -EINVAL; 130 } 131 printk("beep-gpio num = %d\r\n", beep.beep_gpio); 132 133 /* 3、配置GPIO为输出模式，默认高电平（关闭蜂鸣器） */ 134 ret = gpio_direction_output(beep.beep_gpio, 1); 135 if (ret < 0) { 136 printk("can't set gpio!\r\n"); 137 } 138 139 /* 4、注册字符设备驱动（标准流程） */ 140 /* 4.1 创建设备号（手动/自动分配） */ 141 if (beep.major) { 142 beep.devid = MKDEV(beep.major, 0); 143 register_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT, BEEP_NAME); 144 } else { 145 alloc_chrdev_region(&beep.devid, 0, BEEP_CNT, BEEP_NAME); 146 beep.major = MAJOR(beep.devid); 147 beep.minor = MINOR(beep.devid); 148 } 149 printk("beep major=%d,minor=%d\r\n", beep.major, beep.minor); 150 151 /* 4.2 初始化cdev */ 152 beep.cdev.owner = THIS_MODULE; 153 cdev_init(&beep.cdev, &beep_fops); 154 155 /* 4.3 添加cdev到内核 */ 156 cdev_add(&beep.cdev, beep.devid, BEEP_CNT); 157 158 /* 4.4 创建类 */ 159 beep.class = class_create(THIS_MODULE, BEEP_NAME); 160 if (IS_ERR(beep.class)) { 161 return PTR_ERR(beep.class); 162 } 163 164 /* 4.5 创建设备（生成/dev/beep节点） */ 165 beep.device = device_create(beep.class, NULL, beep.devid, NULL, BEEP_NAME); 166 if (IS_ERR(beep.device)) { 167 return PTR_ERR(beep.device); 168 } 169 return 0; 170 } 171 172 /* 173 * @description : 驱动出口函数（卸载驱动时执行） 174 * @param : 无 175 * @return : 无 176 */ 177 static void __exit beep_exit(void) 178 { 179 /* 注销字符设备驱动 */ 180 cdev_del(&beep.cdev); 181 unregister_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT); 182 183 /* 销毁设备和类 */ 184 device_destroy(beep.class, beep.devid); 185 class_destroy(beep.class); 186 } 187 188 module_init(beep_init); 189 module_exit(beep_exit); 190 MODULE_LICENSE("GPL"); 191 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");| 行号范围 | 核心功能 | 关键说明 |
|---|---|---|
| 33–42 | 设备结构体定义 | 封装驱动所有资源，Linux 驱动核心设计 |
| 54 | 绑定私有数据 | 传递设备上下文，替代全局变量 |
| 74 | 内核 / 用户空间数据拷贝 | 必须用 copy_from_user，禁止直接访问用户指针 |
| 82/84 | GPIO 电平控制 | GPIO 子系统 API，无需操作寄存器 |
| 117 | 获取设备树节点 | of_find_node_by_path 匹配设备树节点 |
| 126 | 解析 GPIO 属性 | of_get_named_gpio 转换 GPIO 编号 |
| 134 | 配置 GPIO 输出 | gpio_direction_output 设置输出模式 |
| 141–168 | 字符设备注册流程 | 创建设备号→初始化 cdev→创建类 / 设备 |
| 177–186 | 资源释放 | 与 init 反向操作，避免内存泄漏 |
| 188–191 | 模块注册 + 协议声明 | 内核识别驱动的关键，必须声明 GPL 协议 |
3.3.3、分析驱动代码
设备结构体设计（对应代码第 33–42 行）
在设备结构体beep_dev中加入 beep_gpio 这个成员变量，此成员变量保存蜂鸣器 所使用的 GPIO 编号。
33 struct beep_dev { 34 dev_t devid; /* 设备号 */ 35 struct cdev cdev; /* cdev */ 36 struct class *class; /* 类 */ 37 struct device *device; /* 设备 */ 38 int major; /* 主设备号 */ 39 int minor; /* 次设备号 */ 40 struct device_node *nd; /* 设备节点 */ 41 int beep_gpio; /* beep使用的GPIO编号 */ 42 };私有数据传递（对应代码第 54 行）
第 54 行，将设备结构体变量beep 设置为 filp 的私有数据 private_data。
filp->private_data = &beep;这种将设备结构体设置为 filp 私有数据的方法在 Linux 内核驱动里面非常常见，方便 write 里取用,这样在后续操作函数中方便地获取设备上下文，避免使用全局变量。
write 函数（第 66–87 行，核心控制逻辑）
66 static ssize_t beep_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 67 { 68 int retvalue; 69 unsigned char databuf[1]; 70 unsigned char beepstat; 71 struct beep_dev *dev = filp->private_data; /* 获取设备结构体 */ 72 73 /* 从用户空间拷贝数据到内核空间 */ 74 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt); 75 if (retvalue < 0) { 76 printk("kernel write failed!\r\n"); 77 return -EFAULT; 78 } 79 80 beepstat = databuf[0]; /* 获取蜂鸣器状态（1=开，0=关） */ 81 if (beepstat == BEEPON) { 82 gpio_set_value(dev->beep_gpio, 0); /* 打开蜂鸣器 */ 83 } else if (beepstat == BEEPOFF) { 84 gpio_set_value(dev->beep_gpio, 1); /* 关闭蜂鸣器 */ 85 } 86 return 0; 87 }第 71 行：从filp->private_data恢复设备结构体指针，是open函数的反向操作，实现上下文传递。
第 74 行：使用copy_from_user拷贝用户空间数据到内核空间 —— 这是 Linux 内核的强制规范，禁止直接访问用户空间指针（避免内存越界、权限问题）。
第 82/84 行：通过gpio_set_value控制 GPIO 电平，完全基于 GPIO 子系统 API，无需操作底层寄存器。
注意：电平值（0/1）需根据硬件原理图调整，本实验中蜂鸣器为（低电平触发鸣叫，高电平关闭）。
驱动入口函数 beep_init（第 112–170 行，驱动初始化）
112 static int __init beep_init(void) 113 { 114 int ret = 0; 115 116 /* 1、获取设备树节点：beep */ 117 beep.nd = of_find_node_by_path("/beep"); 118 if (beep.nd == NULL) { 119 printk("beep node not find!\r\n"); 120 return -EINVAL; 121 } else { 122 printk("beep node find!\r\n"); 123 } 124 125 /* 2、解析设备树的beep-gpio属性，获取GPIO编号 */ 126 beep.beep_gpio = of_get_named_gpio(beep.nd, "beep-gpio", 0); 127 if (beep.beep_gpio < 0) { 128 printk("can't get beep-gpio\r\n"); 129 return -EINVAL; 130 } 131 printk("beep-gpio num = %d\r\n", beep.beep_gpio); 132 133 /* 3、配置GPIO为输出模式，默认高电平（关闭蜂鸣器） */ 134 ret = gpio_direction_output(beep.beep_gpio, 1); 135 if (ret < 0) { 136 printk("can't set gpio!\r\n"); 137 } 138 139 /* 4、注册字符设备驱动（标准流程） */ 140 /* 4.1 创建设备号（手动/自动分配） */ 141 if (beep.major) { 142 beep.devid = MKDEV(beep.major, 0); 143 register_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT, BEEP_NAME); 144 } else { 145 alloc_chrdev_region(&beep.devid, 0, BEEP_CNT, BEEP_NAME); 146 beep.major = MAJOR(beep.devid); 147 beep.minor = MINOR(beep.devid); 148 } 149 printk("beep major=%d,minor=%d\r\n", beep.major, beep.minor); 150 151 /* 4.2 初始化cdev */ 152 beep.cdev.owner = THIS_MODULE; 153 cdev_init(&beep.cdev, &beep_fops); 154 155 /* 4.3 添加cdev到内核 */ 156 cdev_add(&beep.cdev, beep.devid, BEEP_CNT); 157 158 /* 4.4 创建类 */ 159 beep.class = class_create(THIS_MODULE, BEEP_NAME); 160 if (IS_ERR(beep.class)) { 161 return PTR_ERR(beep.class); 162 } 163 164 /* 4.5 创建设备（生成/dev/beep节点） */ 165 beep.device = device_create(beep.class, NULL, beep.devid, NULL, BEEP_NAME); 166 if (IS_ERR(beep.device)) { 167 return PTR_ERR(beep.device); 168 } 169 return 0; 170 }设备树解析（第 117/126 行）：
第 117 行of_find_node_by_path("/beep")：通过绝对路径找到设备树中定义的beep节点，是驱动与设备树绑定的第一步；
第 126 行of_get_named_gpio(beep.nd, "beep-gpio", 0)：解析设备树中beep-gpio属性，将<&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>转换为内核可识别的 GPIO 编号（本实验中为 129）。
GPIO 初始化（第 134 行）：gpio_direction_output将 GPIO 配置为输出模式，并设置默认电平为高（关闭蜂鸣器），替代了裸机开发中直接配置GPIOx_GDIR寄存器的操作。
字符设备注册（第 141–168 行）：遵循 Linux 字符设备驱动的标准流程 —— 创建设备号→初始化 cdev→添加 cdev→创建类→创建设备，最终自动生成/dev/beep设备节点，用户层可直接操作。
驱动出口函数 beep_exit（第 177–186 行，资源释放）
177 static void __exit beep_exit(void) 178 { 179 /* 注销字符设备驱动 */ 180 cdev_del(&beep.cdev); 181 unregister_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT); 182 183 /* 销毁设备和类 */ 184 device_destroy(beep.class, beep.devid); 185 class_destroy(beep.class); 186 }核心原则：与beep_init的操作完全反向，确保驱动卸载时释放所有占用的内核资源（设备号、cdev、类、设备节点），避免内存泄漏。
第 180 行：删除 cdev 结构体，注销字符设备；
第 181 行：释放申请的设备号；
第 184 行：销毁/dev/beep设备节点；
第 185 行：销毁设备类。
无 GPIO 释放：GPIO 子系统会自动管理 GPIO 资源，无需手动释放，体现了内核子系统的「自动化管理」优势。
3.4、测试APP
3.4.1测试APP执行流程图
3.4.2、程序编写
#include "stdio.h" #include "unistd.h" #include "sys/types.h" #include "sys/stat.h" #include "fcntl.h" #include "stdlib.h" #include "string.h" /*************************************************************** Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved. 文件名 : beepApp.c 描述 : beep测试APP。 其他 : 无 使用方法 ：./beepApp /dev/beep 0 关闭蜂鸣器 ./beepApp /dev/beep 1 打开蜂鸣器 ***************************************************************/ #define BEEPOFF 0 #define BEEPON 1 /* * @description : main主程序 * @param - argc : argv数组元素个数 * @param - argv : 具体参数 * @return : 0 成功;其他 失败 */ int main(int argc, char *argv[]) { int fd, retvalue; char *filename; unsigned char databuf[1]; if(argc != 3){ printf("Error Usage!\r\n"); return -1; } filename = argv[1]; /* 打开beep驱动 */ fd = open(filename, O_RDWR); if(fd < 0){ printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]); return -1; } databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭 */ /* 向/dev/beep文件写入数据 */ retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf)); if(retvalue < 0){ printf("BEEP Control Failed!\r\n"); close(fd); return -1; } retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */ if(retvalue < 0){ printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]); return -1; } return 0; } 测试 APP 代码和 LED 几乎一样，仅修改命名和提示信息，核心逻辑为：
校验命令行参数（必须传入设备路径和控制指令）；
打开/dev/beep设备文件；
向驱动写入控制指令（1 = 开，0 = 关）；
关闭设备文件。
四、运行测试
4.1、编译驱动程序和测试 APP
编写 Makefile 文件，本次实验的 Makefile 文件和之前的led实验基本一样，只是将 obj-m 变量的值改为beep.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/duan/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.1_ga_alientek_v2.2 CURRENT_PATH := $(shell pwd) obj-m :=beep.o build: kernel_modules kernel_modules: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules clean: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32编译成功以后就会生成一个名为“beep.ko”的驱动模块文件。
编译测试 APP
输入如下命令编译测试beepApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc beepApp.c -o beepApp4.2、运行测试
将上一小节编译出来的beep.ko和beepApp 这两个文件拷贝到 rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中。
sudo cp beep.ko /home/duan/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -fsudo cp beepApp /home/duan/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载beep.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 //加载驱动驱动加载成功以后会在终端中输出一些信息，如下图所示：
从上图可以看出，beep 这个节点找到了，并且 GPIO5_IO01 这个 GPIO 的编号为 129。
使用 beepApp 软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令打开蜂鸣器：
./beepApp /dev/beep 1 //打开蜂鸣器输入上述命令，查看 I.MX6U-ALPHA 开发板上的蜂鸣器是否有鸣叫，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：
./beepApp /dev/beep 0 //关闭蜂鸣器输入上述命令以后观察 I.MX6U-ALPHA 开发板上的蜂鸣器是否停止鸣叫。如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod beep.ko总结
本期博客完成了基于 pinctrl+GPIO 子系统的蜂鸣器的实验。
