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PWM控制LED亮度：用户态驱动开发详解

目录

1. PWM技术概述
2. 硬件原理分析
3. 用户态访问硬件原理
4. 代码实现解析
5. 运行结果与现象
6. 总结与应用

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1. PWM技术概述

脉冲宽度调制（PWM）是一种通过调节信号高电平持续时间来控制平均电压的技术。关键参数包括：

• 周期（Period）：一个完整PWM波形的时间（本例中为1ms）
• 占空比（Duty Cycle）：高电平时间占周期的比例（0-100%）

通过改变占空比，可以控制LED的亮度：占空比越大，LED越亮。

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2. 硬件原理分析

硬件连接

PWM通道	控制LED	物理引脚	寄存器地址
PWM0	红灯	GPIO0_13	0x32b30050
PWM2	绿灯	GPIO1_1	0x32b30060

寄存器配置

每个引脚需要配置复用功能寄存器：

#define GPIO_PAD_MODE_PWM0_VAL 0x141 // 二进制: 01 0100 0001

• bit0~bit2：功能选择（001=PWM）
• bit4~bit7：驱动力（100=4级）
• bit8~bit9：上下拉电阻（01=下拉）

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3. 用户态访问硬件原理

在Linux中，用户态无法直接访问物理地址。通过以下步骤实现：

1. 打开设备文件：

   int fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);
   

2. 内存映射：

   void* map_base = mmap(0, MAP_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, target & ~MAP_MASK);
   

3. 计算虚拟地址：

   void* virtual_addr = (char*)map_base + (target & MAP_MASK);
   

4. 写入配置值：

   *((unsigned short*)virtual_addr) = write_val; // 16位写入
   

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4. 代码实现解析

主程序流程

关键函数解析

1. pwm_mode() - 寄存器配置

static int pwm_mode(const char *addr, const char *type, const char *data) {// 打开/dev/memint fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);// 内存映射void* map_base = mmap(..., fd, target & ~MAP_MASK);// 计算虚拟地址void* virtual_addr = (char*)map_base + (target & MAP_MASK);// 根据类型写入数据if(strcmp(type,"h")==0) {*((unsigned short*)virtual_addr) = write_val;}// 清理资源munmap(map_base, MAP_SIZE);close(fd);
}

2. pwm_config() - PWM参数设置

static int pwm_config(const char *attr, const char *val, int node) {// 生成sysfs路径snprintf(file_path, "/sys/class/pwm/pwmchip%d/pwm%d/%s", node, node, attr);// 打开文件int fd = open(file_path, O_WRONLY);// 写入值write(fd, val, strlen(val));close(fd);
}

3. 渐变控制逻辑

while(1) {// 动态调整占空比if(increase) duty += step;else duty -= step;// 更新PWM输出pwm_config("duty_cycle", duty_str, 0); // PWM0pwm_config("duty_cycle", duty_str, 2); // PWM2// 边界检查if(duty >= max) increase = 0;if(duty <= min) increase = 1;usleep(1000000); // 1秒间隔
}

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5. 运行结果与现象

编译与运行

gcc pwm_app.c -o pwm_app
./pwm_app 0      # 仅控制红灯
./pwm_app 2      # 仅控制绿灯
./pwm_app 0-2    # 同时控制红绿灯

预期现象

命令	现象
./pwm_app 0	红灯从暗到亮循环渐变
./pwm_app 2	绿灯从暗到亮循环渐变
./pwm_app 0-2	红绿灯同步渐变，亮度一致变化

LED将呈现呼吸灯效果，每个渐变周期约100秒（步长1%，间隔1秒）。

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6. 总结与应用

本文实现了一种用户态PWM驱动方案，具有以下优势：

1. 无需内核开发：通过/dev/mem直接操作硬件
2. 灵活控制：支持单路/多路PWM独立配置
3. 渐变效果：实现平滑的亮度过渡

应用扩展：

• 电机速度控制
• 电源管理
• 蜂鸣器音调调节
• 伺服舵机控制

通过理解PWM原理和Linux硬件访问机制，开发者可以在用户空间高效实现各类硬件控制功能。

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