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GPIO子系统

news 文章来源：https://blog.csdn.net/xace007/article/details/140644799 2025/1/18 4:32:29

1. GPIO子系统视频概述

1.1 GPIO子系统的作用

芯片内部有很多引脚，这些引脚可以接到GPIO模块，也可以接到I2C等模块。

通过Pinctrl子系统来选择引脚的功能(mux function)、配置引脚：

当一个引脚被复用为GPIO功能时，我们可以去设置它的方向、设置/读取它的值。

GPIO名为"General Purpose Input/Output"，通用目的输入/输出，就是常用的引脚。

GPIO可能是芯片自带的，也可能通过I2C、SPI接口扩展：

GPIO有一些通用功能、通用属性。

1.2 通用功能

可以设为输出：让它输出高低电平；
可以设为输入，读取引脚当前电平；
可以用来触发中断

对于芯片自带的GPIO，它的访问时很快的，可以在获得spinlocks的情况下操作它。

但是，对于通过I2C、SPI等接口扩展的GPIO，访问它们时可能导致休眠，所以这些"GPIO Expander"就不能在获得spinlocks的情况下使用。

1.3 通用属性

Active-High and Active-Low

以LED为例，需要设置GPIO电平。但是有些电路可能是高电平点亮LED，有些是低电平点亮LED。

可以使用如下代码：

gpiod_set_value(gpio, 1);  // 输出高电平点亮LED
gpiod_set_value(gpio, 0);  // 输出低电平点亮LED

对应同一个目标：点亮LED，对于不同的LED，就需要不同的代码，原因在于上面的代码中1、0表示的是"物理值"。

如果能使用"逻辑值"，同样的逻辑值在不同的配置下输出对应的物理值，就可以保持代码一致，比如：

gpiod_set_value(gpio, 1);  // 输出逻辑1// 在Active-High的情况下它会输出高电平// 在Active-Low的情况下它会输出低电平

Open Drain and Open Source

有多个GPIO驱动同时驱动一个电路时，就需要设置Open Drain或Open Source。
- Open Drain：引脚被设置为低电平时才会驱动电路，典型场景是I2C接口。
- Open Source：引脚被设置为高电平时才会驱动电路

1.4 GPIO子系统的作用

管理GPIO，既能支持芯片本身的GPIO，也能支持扩展的GPIO。

提供统一的、简便的访问接口，实现：输入、输出、中断。

2. GPIO子系统层次与数据结构

2.1 GPIO子系统的层次

2.1.1 层次

2.1.2 GPIOLIB向上提供的接口

概述：向上接口主要有几类：获得GPIO,设置方向，读值写值，释放GPIO;

在Linux内核中，GPIOLIB 是一个通用的 GPIO (通用输入输出) 抽象层，它提供了一组 API 供驱动程序和用户空间程序使用。以下是 GPIOLIB 向上提供的主要接口及其说明：

gpio_request:
- 请求一个GPIO引脚。如果成功，内核将保留该引脚供请求者使用，并返回一个唯一的GPIO编号。
gpio_free:
- 释放一个之前请求的GPIO引脚，使其可供其他驱动程序使用。
gpio_direction_input:
- 将GPIO引脚配置为输入模式。
gpio_direction_output:
- 将GPIO引脚配置为输出模式，并可选地设置初始输出值。
gpio_get_value:
- 读取GPIO引脚的输入值。
gpio_set_value:
- 写入GPIO引脚的输出值。
gpio_get_value_cansleep:
- 与gpio_get_value类似，但此函数可以在睡眠上下文中使用。
gpio_set_value_cansleep:
- 与gpio_set_value类似，但此函数可以在睡眠上下文中使用。
gpio_cansleep:
- 检查对GPIO引脚的操作是否可以在睡眠上下文中执行。
gpio_to_irq:
- 将GPIO引脚转换为中断号，以便可以请求中断。
irq_to_gpio:
- 将中断号转换回GPIO引脚。
gpiochip_add:
- 注册一个gpio_chip结构体，它描述了一组GPIO引脚及其操作函数。
gpiochip_remove:
- 移除之前注册的gpio_chip。
gpiochip_line_config:
- 配置gpio_chip中的特定引脚。
gpiochip_request_own:
- 请求对gpio_chip中的引脚的所有权。
gpiochip_request_unown:
- 释放对gpio_chip中的引脚的所有权。
gpiochip_set:
- 为gpio_chip中的多个引脚设置值。
gpiochip_clear:
- 清除gpio_chip中的多个引脚的值。
gpiochip_set_direction:
- 为gpio_chip中的多个引脚设置方向。
gpiochip_get_direction:
- 获取gpio_chip中引脚的方向。

这些接口为内核中的驱动程序提供了一种通用的方式来操作硬件GPIO引脚，同时隐藏了具体的硬件细节。此外，GPIOLIB 还提供了一些辅助函数，用于处理GPIO引脚的请求和释放，以及配置引脚的输入/输出模式。

2.1.3 GPIOLIB向下提供的接口

概述：获得引脚，释放引脚，配置引脚，读取\写入值，清除引脚，获取地址，获取标签（信息），配置中断

chip.request:
- 用于请求一个 GPIO 引脚。硬件驱动程序需要实现此函数来请求并分配一个 GPIO 引脚。
chip.free:
- 用于释放一个之前请求的 GPIO 引脚。硬件驱动程序需要实现此函数来释放并回收该引脚。
chip.direction_input:
- 配置 GPIO 引脚为输入模式。硬件驱动需要实现此函数来设置引脚方向。
chip.direction_output:
- 配置 GPIO 引脚为输出模式，并可设置初始输出值。硬件驱动需要实现此函数。
chip.get:
- 读取 GPIO 引脚的值。硬件驱动需要实现此函数来返回引脚的当前状态。
chip.set:
- 向 GPIO 引脚写入高电平。硬件驱动需要实现此函数来设置引脚状态。
chip.clear:
- 向 GPIO 引脚写入低电平。硬件驱动需要实现此函数来清除引脚状态。
chip.set_config:
- 配置 GPIO 引脚的参数，如上拉/下拉、驱动强度等。硬件驱动需要实现此函数。
chip.to_irq:
- 如果支持，将 GPIO 引脚转换为中断号。硬件驱动需要实现此函数。
chip.dbg_show:
- 用于调试目的，显示 GPIO 引脚的状态。硬件驱动可以提供此函数。
chip.label:
- 获取 GPIO 芯片的标签。硬件驱动需要提供此函数。
chip.base:
- 获取 GPIO 芯片的基地址，通常用于芯片注册。
chip.ngpio:
- 获取 GPIO 芯片支持的 GPIO 引脚数量。
chip.parent:
- 获取 GPIO 芯片的父设备，通常用于设备树集成。
chip.of_node:
- 获取 GPIO 芯片的设备树节点。
chip.of_xlate:
- 用于设备树中 GPIO 引脚的转换，硬件驱动需要实现此函数。

这些接口定义在 struct gpio_chip 结构体中，硬件平台的 GPIO 驱动程序需要填充这个结构体并实现相应的函数。这样，GPIOLIB 可以与底层硬件交互，而上层的驱动程序和应用程序则可以使用 GPIOLIB 提供的通用接口来操作 GPIO 引脚。

2.2 重要的3个核心数据结构

记住GPIO Controller的要素，这有助于理解它的驱动程序：

一个GPIO Controller里有多少个引脚？有哪些引脚？
需要提供函数，设置引脚方向、读取/设置数值
需要提供函数，把引脚转换为中断

以Linux面向对象编程的思想，一个GPIO Controller必定会使用一个结构体来表示，这个结构体必定含有这些信息：

GPIO引脚信息
控制引脚的函数
中断相关的函数

2.2.1 gpio_device

每个GPIO Controller用一个gpio_device来表示：

里面每一个gpio引脚用一个gpio_desc来表示
gpio引脚的函数(引脚控制、中断相关)，都放在gpio_chip里

2.2.2 gpio_chip

我们并不需要自己创建gpio_device，编写驱动时要创建的是gpio_chip，里面提供了：

控制引脚的函数
中断相关的函数
引脚信息：支持多少个引脚？各个引脚的名字？

（实现GPIOLIB向下提供的接口函数）

2.2.3 gpio_desc

我们去使用GPIO子系统时，首先是获得某个引脚对应的gpio_desc。

gpio_device表示一个GPIO Controller，里面支持多个GPIO。

在gpio_device中有一个gpio_desc数组，每一引脚有一项gpio_desc。

2.3 怎么编写GPIO Controller驱动程序

分配、设置、注册gpioc_chip结构体，示例：drivers\gpio\gpio-74x164.c

3. 编写一个虚拟GPIO控制器的驱动程序

概述：核心：分配/设置/注册一个gpio_chip结构体。

头文件支持，定义全局变量结构体指针chip（）

定义一个全局变量用于模拟GPIO的

#include <linux/module.h>      // 模块化编程支持
#include <linux/err.h>         // 错误处理
#include <linux/init.h>        // 模块初始化和清理宏
#include <linux/io.h>          // IO操作
#include <linux/mfd/syscon.h>  // 系统控制
#include <linux/of.h>          // 设备树操作
#include <linux/of_device.h>    // 设备树设备操作
#include <linux/of_address.h>  // 设备树地址解析
#include <linux/gpio/consumer.h> // GPIO消费者
#include <linux/gpio/driver.h>  // GPIO驱动
#include <linux/slab.h>        // 内存分配
#include <linux/regmap.h>      // 寄存器映射static struct gpio_chip * g_virt_gpio; // 定义一个全局的gpio_chip指针
static int g_gpio_val = 0;             // 定义一个全局变量，用于模拟GPIO值

定义设备树匹配表，设置GPIO属性->方向（输入和输出），获取GPIO的值，设置GPIO的值

// 设备树匹配表
static const struct of_device_id virtual_gpio_of_match[] = {{ .compatible = "100ask,virtual_gpio", },{ },
};// 设置GPIO方向为输出
static int virt_gpio_direction_output(struct gpio_chip *gc,unsigned offset, int val)
{printk("set pin %d as output %s\n", offset, val ? "high" : "low");return 0;
}// 设置GPIO方向为输入
static int virt_gpio_direction_input(struct gpio_chip *chip,unsigned offset)
{printk("set pin %d as input\n", offset);return 0;
}// 获取GPIO值
static int virt_gpio_get_value(struct gpio_chip *gc, unsigned offset)
{return (g_gpio_val & (1<<offset)) ? 1 : 0;
}// 设置GPIO值
static void virt_gpio_set_value(struct gpio_chip *gc,unsigned offset, int val)
{if (val)g_gpio_val |= (1 << offset);elseg_gpio_val &= ~(1 << offset);
}

平台驱动探测函数：分配，设置（设置函数，设置值），注册（在内核中添加身份信息）

// 平台设备探测函数
static int virtual_gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{int ret;printk(KERN_INFO "%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/* 1. 分配gpio_chip */g_virt_gpio = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*g_virt_gpio), GFP_KERNEL);/* 2. 设置gpio_chip *//* 2.1 设置函数 */g_virt_gpio->label = pdev->name;g_virt_gpio->direction_output = virt_gpio_direction_output;g_virt_gpio->direction_input  = virt_gpio_direction_input;g_virt_gpio->get = virt_gpio_get_value;g_virt_gpio->set = virt_gpio_set_value;g_virt_gpio->parent = &pdev->dev;g_virt_gpio->owner = THIS_MODULE;/* 2.2 设置base、ngpio值 */g_virt_gpio->base = -1;ret = of_property_read_u32(pdev->dev.of_node, "ngpios", &g_virt_gpio->ngpio);/* 3. 注册gpio_chip */ret = devm_gpiochip_add_data(g_virt_gpio, NULL);return 0;
}

定义平台设备移除函数，定义虚拟GPIO驱动结构体，定义入口函数（注册平台驱动），出口函数（反注册平台驱动），

// 平台设备移除函数
static int virtual_gpio_remove(struct platform_device *pdev)
{printk(KERN_INFO "%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}// 虚拟GPIO驱动结构体
static struct platform_driver virtual_gpio_driver = {.probe = virtual_gpio_probe,.remove = virtual_gpio_remove,.driver = {.name = "100ask_virtual_gpio",.of_match_table = of_match_ptr(virtual_gpio_of_match),}
};/* 1. 入口函数 */
static int __init virtual_gpio_init(void)
{    printk(KERN_INFO "%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/* 1.1 注册一个platform_driver */return platform_driver_register(&virtual_gpio_driver);
}/* 2. 出口函数 */
static void __exit virtual_gpio_exit(void)
{printk(KERN_INFO "%s %s %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/* 2.1 反注册platform_driver */platform_driver_unregister(&virtual_gpio_driver);
}module_init(virtual_gpio_init);
module_exit(virtual_gpio_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

4. GPIO子系统与Pinctrl子系统的交互

4.1 使用GPIO前应该设置Pinctrl

假设使用这个虚拟的GPIO Controller的pinA来控制LED：

要使用pinA来控制LED，首先要通过Pinctrl子系统把它设置为GPIO功能，然后才能设置它为输出引脚、设置它的输出值。

所以在设备树文件里，应该添加Pinctrl的内容：

virtual_pincontroller {compatible = "100ask,virtual_pinctrl";myled_pin: myled_pin {functions = "gpio";groups = "pin0";configs = <0x11223344>;};
};gpio_virt: virtual_gpiocontroller {compatible = "100ask,virtual_gpio";gpio-controller;#gpio-cells = <2>;ngpios = <4>;
};myled {compatible = "100ask,leddrv";led-gpios = <&gpio_virt 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&myled_pin>;	
};

这段代码包含了三个主要部分，分别定义了三个不同的设备节点，它们在设备树（Device Tree）中用于描述硬件设备的配置和它们之间的关系。以下是对每个部分的解释：

virtual_pincontroller 节点：
- compatible 属性指定了设备的兼容字符串，用于确定使用哪个驱动程序。
- myled_pin 是一个子节点，代表一个具体的引脚配置。
- functions 属性定义了引脚的复用功能，这里是 "gpio"，表示该引脚被用作通用输入输出。
- groups 属性指定了引脚组，这里是 "pin0"。
- configs 属性提供了引脚的配置参数，这里使用了一个32位的十六进制数 0x11223344。
gpio_virt 节点：
- 同样使用 compatible 属性来指定驱动程序。
- gpio-controller 表示这是一个GPIO控制器。
- #gpio-cells 属性定义了每个GPIO引脚需要多少个单元来描述，这里是 <2>，通常表示一个单元用于GPIO号，另一个用于标志。
- ngpios 属性定义了控制器拥有的GPIO引脚数量，这里是 <4>，表示有4个GPIO引脚。
- 这个节点可能与 virtual_pincontroller 节点相关联，用于控制引脚的GPIO功能。
myled 节点：
- compatible 属性指定了LED驱动的兼容字符串。
- led-gpios 属性定义了控制LED的GPIO引脚，格式为 <&gpio_virt 0 GPIO_ACTIVE_LOW>，表示使用 gpio_virt 控制器的第0号引脚，且为低电平有效。
- pinctrl-names 和 pinctrl-0 属性用于指定引脚控制的名称和默认配置，这里引用了 myled_pin 节点。

设备树节点之间的关系：

gpio_virt 节点定义了一个GPIO控制器，它可能控制着一些物理或虚拟的GPIO引脚。
myled 节点定义了一个LED设备，它使用 gpio_virt 控制器的第0号引脚来控制LED的开关。
virtual_pincontroller 节点定义了一个虚拟的引脚控制器，它可能用于更复杂的引脚控制逻辑，比如配置引脚的复用功能、配置参数等。

代码作用：

这段设备树配置告诉内核如何初始化和配置相关的硬件设备，特别是如何将特定的GPIO引脚配置为控制LED，并指定了引脚的其他配置参数。
当内核启动时，它将解析设备树中的这些节点，并根据这些信息加载相应的驱动程序，初始化硬件设备。

在嵌入式Linux系统中，设备树是一种重要的机制，用于描述硬件设备的配置，特别是在没有BIOS或UEFI等传统固件的情况下。设备树允许内核以一种硬件无关的方式来初始化和控制硬件设备。

但是很多芯片，并不要求在设备树中把把引脚复用为GPIO功能。

比如STM32MP157，在它的设备树工具STM32CubeMX即使把引脚配置为GPIO功能，它也不会在设备树中出现。

原因在于：GPIO走了后门。

现实的芯片中，并没有Pinctrl这样的硬件，它的功能大部分是在GPIO模块中实现的。

Pinctrl是一个软件虚拟处理的概念，它的实现本来就跟GPIO密切相关。

甚至一些引脚默认就是GPIO功能。

按理说：

一个引脚可能被用作GPIO，也可能被用作I2C，GPIO和I2C这些功能时相同低位的。

要用作GPIO，需要先通过Pinctrl把引脚复用为GPIO功能。

但是Pinctrl和GPIO关系密切，当你使用gpiod_get获得GPIO引脚时，它就偷偷地通过Pinctrl把引脚复用为GPIO功能了。

4.2 GPIO和Pinctrl的映射关系

从上图可知：

左边的Pinctrl支持8个引脚，在Pinctrl的内部编号为0~7
图中有2个GPIO控制器
- GPIO0内部引脚编号为0~3，假设在GPIO子系统中全局编号为100~103
- GPIO1内部引脚编号为0~3，假设在GPIO子系统中全局编号为104~107
假设我们要使用pin1_1，应该这样做：
- 根据GPIO1的内部编号1，可以换算为Pinctrl子系统中的编号5
- 使用Pinctrl的函数，把第5个引脚配置为GPIO功能

数据结构

4.3 GPIO调用Pinctrl的过程

GPIO子系统中的request函数，用来申请某个GPIO引脚，

它会导致Pinctrl子系统中的这2个函数之一被调用：pmxops->gpio_request_enable或pmxops->request

调用关系如下：

gpiod_getgpiod_get_indexdesc = of_find_gpio(dev, con_id, idx, &lookupflags);ret = gpiod_request(desc, con_id ? con_id : devname);ret = gpiod_request_commit(desc, label);if (chip->request) {ret = chip->request(chip, offset);}

这段代码片段是Linux内核中使用GPIO描述符（gpiod）API处理GPIO线的一部分。这个API用于以更抽象的方式处理GPIO，允许更好的硬件抽象，使跨不同硬件平台的GPIO操作变得更容易。以下是每个函数的作用详解：。

- `gpiod_get_index` 函数可能是获取特定索引GPIO线GPIO描述符的包装器或过程的一部分。
- `of_find_gpio` 函数使用设备树根据设备和连接ID找到GPIO描述符。
- `gpiod_request` 函数使用描述符请求GPIO线，并为GPIO线的使用请求一个标签。
- `gpiod_request_commit` 函数提交GPIO请求，使GPIO线准备好使用。
- 如果GPIO芯片有一个自定义的请求函数 (`chip->request`)，这里会调用它来执行任何必要的硬件特定设置。

这段代码片段是通常涉及配置GPIO线（例如，将其设置为输入或输出，配置上拉/下拉电阻等）并然后用于其预定目的（例如，从传感器读取输入，驱动LED等）的更大过程中的一部分。确切的实现细节可以根据硬件平台和正在使用的GPIO线的具体要求而有所不同。

我们编写GPIO驱动程序时，所设置chip->request函数，一般直接调用gpiochip_generic_request，它导致Pinctrl把引脚复用为GPIO功能。

gpiochip_generic_request(struct gpio_chip *chip, unsigned offset)pinctrl_request_gpio(chip->gpiodev->base + offset)ret = pinctrl_get_device_gpio_range(gpio, &pctldev, &range); // gpio是引脚的全局编号/* Convert to the pin controllers number space */pin = gpio_to_pin(range, gpio);ret = pinmux_request_gpio(pctldev, range, pin, gpio);ret = pin_request(pctldev, pin, owner, range);

代码流程解释：

gpiochip_generic_request 函数被调用以请求一个GPIO。
pinctrl_request_gpio 函数使用设备的基地址和GPIO偏移量来计算全局GPIO编号。
pinctrl_get_device_gpio_range 函数根据全局GPIO编号获取引脚控制器设备和GPIO的编号范围。
通过gpio_to_pin将全局GPIO编号转换为引脚控制器的编号空间。
pinmux_request_gpio 函数请求引脚复用，确保引脚可以被用作所需的功能。
pin_request 函数在引脚控制器中实际请求引脚，保留它并标记为已使用。

这个过程是Linux内核中处理GPIO请求的标准方式，确保了在不同硬件平台上对GPIO的请求是统一和一致的。通过这种方式，驱动程序可以请求和使用GPIO，而不必担心底层硬件的具体细节。

Pinctrl子系统中的pin_request函数就会把引脚配置为GPIO功能：

static int pin_request(struct pinctrl_dev *pctldev,int pin, const char *owner,struct pinctrl_gpio_range *gpio_range)
{const struct pinmux_ops *ops = pctldev->desc->pmxops;/** If there is no kind of request function for the pin we just assume* we got it by default and proceed.*/if (gpio_range && ops->gpio_request_enable)/* This requests and enables a single GPIO pin */status = ops->gpio_request_enable(pctldev, gpio_range, pin);else if (ops->request)status = ops->request(pctldev, pin);elsestatus = 0;
}

这段代码是一个名为 pin_request 的静态函数，它的作用是请求（reserve）一个特定的引脚（pin），以供驱动程序或其他用途使用。

这个 pin_request 函数是引脚控制子系统中的一个关键组件，它确保了对特定引脚的独占访问，防止多个驱动程序同时使用同一个引脚。这是嵌入式系统和硬件抽象中常见的需求，特别是在多个硬件设备可能需要使用相同物理引脚的情况下。