Linux PWM 開發指南

1 概述

1.1 編寫目的

介紹 PWM 模塊的詳細設計方便相關人員進行 PWM 模塊的代碼設計開發。

1.2 使用范圍

適用于 Linux-3.10，linux-4.4 和 Linux-4.9 內核，Linux-5.4 內核。

1.3 相關人員

PWM 驅動的開發人員/維護人員等

2 術語及概念

2.1 術語定義及縮略語

術語	解釋說明
Sunxi	指 Allwinner 的一系列 SOC 硬件平臺
頻率	PWM 的頻率決定了所模擬電平的平滑度（逼真度），人耳感知的頻率范圍為 20Hz-16Khz，注意 PWM 的頻率不要落在這個區間
占空比	決定了一個周期內 PWM 信號高低的比例，進而決定了一個周期內的平均電壓，也就是所模擬的電平的電壓
極性	決定了是高占空比的信號輸出電平高，還是低占空比信號輸出電平高。假設一個信號 的占空比為 100%，如果為正常極性，則輸出電平最大，如果為翻轉的極性，則輸出 電平為 0
開關	控制 PWM 信號是否輸出
PWM對	電機等硬件需要兩路脈沖信號來控制其正常運轉，一般兩路極性相關，頻率，占空比 參數相同的 PWM 構成一個 PWM 對
PWM死區控制時間	大功率電機，變頻器等由大功率管，IGBT 等元件組成 H 橋或 3 相橋，每個橋的上 半橋和下半橋是絕對不能導通的，在 PWM 信號驅動這些元件時，往往會由于沒有延 遲而造成未關斷某路半橋，這樣會造成功率元件的損壞，在 PWM 中加入死區時間的 控制即是讓上半橋關斷后，自動插入一個事件，延遲后再打開下半橋

2.2 概念闡述

脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的 使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。

PWM 模塊屬于 PWM 子系統，會調用 PWM 子系統的相關接口（詳情可以查看 PWM 子系 統知識）

3 模塊描述

3.1 模塊功能

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圖 3-1: 模塊功能

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不同平臺上擁有不同個數的 PWM 通道，其中兩個為一個 PWM 對（平臺通道數不相同，PWM 對也就不相同，具體細節可以查看對應方案的 spec）。其中 PWM 具有以下特點：

? 支持脈沖，周期和互補對輸出 ? 支出捕捉輸入

? 帶可編程死區發生器，死區時間可控

? 0-24M/100M 輸出頻率范圍。0%-100% 占空比可調，最小分辨率 1/65536

? 支持 PWM 輸出和捕捉輸入產生中斷

3.2 模塊位置

PWM 模塊屬于硬件驅動層，直接與硬件通信

3.3 模塊配置

3.3.1 linux-4.9

在 linux-4.9 中, 在命令行中進入內核根目錄，執行 make ARCH=arm(arm64) menuconfig 進入配置主界面，并按以下步驟操作：

首先，選擇 Device Drivers 選項進入下一級配置，如下圖所示：

?

圖 3-2: Device Drivers

?

選擇 Pulse-Width Modulation (PWM) Support 進入下一步配置，如下圖所示:

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圖3-3: Pulse-Width Modulation (PWM) Support

?

3.選擇 SUNXI PWM SELECT 進入下一步配置，如下圖所示:

?

圖3-4: SUNXI PWM SELECT

?

4.選擇 Sunxi Enhance PWM support 配置

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圖 3-5: Sunxi Enhance PWM support

?

在 4.9 內核選擇該配置，選擇的是對應目錄中的 pwm-sunxi-new.c 文件。也可以有以下配置； 在第 3 步中直接選擇 Allwinner PWM support 選項，選擇的是對應目錄中的 pwm-sun4i.c 文件

在第 4 步中選擇 Sunxi PWM Support 選項，選擇的是對應目錄中的 pwm-sunxi.c 文件

3.3.2 linux-5.4

linux5.4 平臺中, 在命令行中進入內核根目錄，執行./build.sh menuconfig 進入配置主界面， 并按以下步驟操作：

首先，選擇 Device Drivers 選項進入下一級配置，如下圖所示：

?

圖 3-6: Device

?

選擇 Pulse-Width Modulation (PWM) Support 進入下一步配置，如下圖所示

?

圖 3-7: Pulse-Width Modulation (PWM) Suppor

?

選擇 SUNXI PWM SELECT 進入下一步配置，如下圖所示:

?

圖3-8: SUNXI PWM SELECT

?

選擇 Sunxi PWM group support 配置

?

圖3-9: Sunxi PWM group support

?

3.4 設備樹配置

3.4.1 linux-4.9

PWM 模塊在設備樹中的配置如下所示：

pwm: pwm@0300a000 {

ompatible = "allwinner,sunxi-pwm";

reg = <0x0 0x0300a000 0x0 0x3c>; //寄存器地址配置

pwm-number = <1>; //pwm的個數

pwm-base = <0x0>; //pwm的起始序號

pwms = <&pwm0>, <&pwm1>;

};

s_pwm: s_pwm@0300a000 {

compatible = "allwinner,sunxi-s_pwm";

reg = <0x0 0x0300a000 0x0 0x3c>;

pwm-number = <1>;

pwm-base = <0x10>;

pwms = <&spwm0>;

};

注意，如果在模塊配置中選擇了 Sunxi PWM support 選項 (具體參數可以查看相關源文件)，則 需要配置以下設備樹：

pwm0: pwm0@01c23400 {

?

compatible = "allwinner,sunxi-pwm0";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg_base = <0x01c23400>;

reg_peci_offset = <0x00>;

reg_peci_shift = <0x00>;

reg_peci_width = <0x01>;

reg_pis_offset = <0x04>;

reg_pis_shift = <0x00>;

reg_pis_width = <0x01>;

reg_crie_offset = <0x10>;

reg_crie_shift = <0x00>;

reg_crie_width = <0x01>;

reg_cfie_offset = <0x10>;

reg_cfie_shift = <0x01>;

reg_cfie_width = <0x01>;

reg_cris_offset = <0x14>;

reg_cris_shift = <0x00>;

reg_cris_width = <0x01>;

reg_cfis_offset = <0x14>;

reg_cfis_shift = <0x01>;

reg_cfis_width = <0x01>;

reg_clk_src_offset = <0x20>;

reg_clk_src_shift = <0x07>;

reg_clk_src_width = <0x02>;

reg_bypass_offset = <0x20>;

reg_bypass_shift = <0x05>;

reg_bypass_width = <0x01>;

reg_clk_gating_offset = <0x20>;

reg_clk_gating_shift = <0x04>;

reg_clk_gating_width = <0x01>;

reg_clk_div_m_offset = <0x20>;

reg_clk_div_m_shift = <0x00>;

reg_clk_div_m_width = <0x04>;

reg_pdzintv_offset = <0x30>;

reg_pdzintv_shift = <0x08>;

reg_pdzintv_width = <0x08>;

reg_dz_en_offset = <0x30>;

reg_dz_en_shift = <0x00>;

reg_dz_en_width = <0x01>;

reg_enable_offset = <0x40>;

reg_enable_shift = <0x00>;

reg_enable_width = <0x01>;

reg_cap_en_offset = <0x44>;

reg_cap_en_shift = <0x00>;

reg_cap_en_width = <0x01>;

reg_period_rdy_offset = <0x60>;

reg_period_rdy_shift = <0x0b>;

reg_period_rdy_width = <0x01>;

reg_pul_start_offset = <0x60>;

reg_pul_start_shift = <0x0a>;

reg_pul_start_width = <0x01>;

reg_mode_offset = <0x60>;

reg_mode_shift = <0x09>;

reg_mode_width = <0x01>;

reg_act_sta_offset = <0x60>;

reg_act_sta_shift = <0x08>;

reg_act_sta_width = <0x01>;

reg_prescal_offset = <0x60>;

reg_prescal_shift = <0x00>;

reg_prescal_width = <0x08>;

reg_entire_offset = <0x64>;

reg_entire_shift = <0x10>;

reg_entire_width = <0x10>;

reg_active_offset = <0x64>;

reg_active_shift = <0x00>;

reg_active_width = <0x10>;

};

PWM 模塊在 sys_config.fex 的配置如下所示：

[pwm0]

pwm_used = 1

pwm_positive = port:PB2<3><0>

[pwm0_suspend]

pwm_positive = port:PB2<7><0>

3.4.2 linux-5.4

PWM 模塊在設備樹中的配置如下所示：

pwm: pwm@2000c00 {

#pwm-cells = <0x3>;

compatible = "allwinner,sunxi-pwm";

reg = <0x0 0x02000c00 0x0 0x400>;

clocks = <&ccu CLK_BUS_PWM>;

resets = <&ccu RST_BUS_PWM>;

pwm-number = <8>;

pwm-base = <0x0>;

sunxi-pwms = <&pwm0>, <&pwm1>, <&pwm2>, <&pwm3>, <&pwm4>,

<&pwm5>, <&pwm6>, <&pwm7>;

};

pwm0: pwm0@2000c10 {

compatible = "allwinner,sunxi-pwm0";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg = <0x0 0x02000c10 0x0 0x4>;

reg_base = <0x02000c00>;

};

pwm1: pwm1@2000c11 {

compatible = "allwinner,sunxi-pwm1";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg = <0x0 0x02000c11 0x0 0x4>;

reg_base = <0x02000c00>;

};

pwm2: pwm2@2000c12 {

compatible = "allwinner,sunxi-pwm2";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg = <0x0 0x02000c12 0x0 0x4>;

reg_base = <0x02000c00>;

};

pwm3: pwm3@2000c13 {

compatible = "allwinner,sunxi-pwm3";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg = <0x0 0x02000c13 0x0 0x4>;

reg_base = <0x02000c00>;

};

pwm4: pwm4@2000c14 {

compatible = "allwinner,sunxi-pwm4";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg = <0x0 0x02000c14 0x0 0x4>;

reg_base = <0x02000c00>;

};

pwm5: pwm5@2000c15 {

compatible = "allwinner,sunxi-pwm5";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg = <0x0 0x02000c15 0x0 0x4>;

reg_base = <0x02000c00>;

};

pwm6: pwm6@2000c16 {

compatible = "allwinner,sunxi-pwm6";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg = <0x0 0x02000c16 0x0 0x4>;

reg_base = <0x02000c00>;

};

pwm7: pwm7@2000c17 {

compatible = "allwinner,sunxi-pwm7";

pinctrl-names = "active", "sleep";

reg = <0x0 0x02000c17 0x0 0x4>;

reg_base = <0x02000c00>;

};

在板級目錄下的配置:

pwm3_pin_a: pwm3@0 {

pins = "PB0";

function = "pwm3";

drive-strength = <10>;

bias-pull-up;

};

pwm3_pin_b: pwm3@1 {

pins = "PB0";

function = "gpio_in";

bias-disable;

};

pwm7_pin_a: pwm7@0 {

pins = "PD22";

function = "pwm7";

drive-strength = <10>;

bias-pull-up;

};

pwm7_pin_b: pwm7@1 {

pins = "PD22";

function = "gpio_out";

};

&pwm3 {

pinctrl-names = "active", "sleep";

pinctrl-0 = <&pwm3_pin_a>;

pinctrl-1 = <&pwm3_pin_b>;

status = "okay";

};

&pwm7 {

pinctrl-names = "active", "sleep";

pinctrl-0 = <&pwm7_pin_a>;

pinctrl-1 = <&pwm7_pin_b>;

status = "okay";

};

具體通道配置按照需求進行配置.

3.5 源碼結構

PWM 驅動的源代碼位于內核的 drivers/pwm 目錄下，具體的路徑如下所示：

3.5.1 linux-4.9

drivers/pwm/

├── pwm-sunxi-new.c // Sunxi Enhance PWM support對應的PWM驅動

├── pwm-sunxi.c // Sunxi PWM support對應的PWM驅動

├── pwm-sun4i.c // Allwiner PWM support對應的PWM驅動

├── sysfs.c //PWM子系統的文件系統相關文件

├── core.c //PWM子系統的核心文件

3.5.2 linux-5.4

drivers/pwm/

├── pwm-sunxi-group.c // Sunxi GROUP PWM support對應的PWM驅動

├── sysfs.c //PWM子系統的文件系統相關文件

├── core.c //PWM子系統的核心文件

3.6 調試接口

可以直接在 linux 內核中調試 pwm 模塊，具體如下： 進入/sys/class/pwm 目錄，該目錄是 linux 內核為 pwm 子系統提供的類目錄，遍歷該目錄：

/sys/class/pwm # ls

pwmchip0

可以看到，上述 pwmchip0 就是我們注冊的 pwm 控制器，進入該目錄，然后遍歷該目錄：

/sys/class/pwm # cd pwmchip0/ /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # ls device export npwm subsystem uevent unexport

其中 npwm 文件儲存了該 pwm 控制器的 pwm 個數，而 export 和 unexport 是導出和刪除某 個 pwm 設備的文件，下面演示導出 pwm1。

/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # cat npwm 2 /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # echo 1 > export /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # ls device export npwm pwm1 subsystem uevent unexport

可以看到目錄中多出 pwm1 目錄，進入該目錄，遍歷：

/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # cd pwm1/ /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # ls capture duty_cycle enable period polarity uevent

該目錄中，enable 是使能 pwm，duty_cycle 是占空比，period 是周期，polarity 是極性，可 以配置相關的 pwm 并且使能：

/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # echo 1000000000 > period /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # echo 500000000 > duty_cycle /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # echo normal > polarity /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # echo 1 > enable

如果相關引腳接上了示波器等，可以看到波形。最后返回上層目錄，刪除該 pwm 設備：

/sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0/pwm1 # cd .. /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # ls device export npwm pwm1 subsystem uevent unexport /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # echo 1 > unexport /sys/devices/platform/soc/1c23400.pwm/pwm/pwmchip0 # ls device export npwm subsystem uevent unexport