GPIO 子系统全面解析：旧版 GPIO 编号 API 与新版 Descriptor API 对比与实战

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GPIO 子系统全面解析：旧版 GPIO 编号 API 与新版 Descriptor API 对比与实战

一、GPIO 子系统的基本概念

1. 什么是 GPIO？

GPIO（General Purpose Input/Output）即“通用输入输出”，是一种可通过软件控制的引脚，可用于读取电平（输入）或设置电平（输出）。在嵌入式系统中，GPIO 是最常见的外设控制手段之一。

2. 为什么要有 GPIO 子系统？

Linux 为不同硬件平台提供统一的软件接口抽象，GPIO 子系统是 Linux 内核为控制 GPIO 而设计的一个驱动子系统，它使得上层驱动程序可以不关心底层硬件差异。

在驱动开发中，GPIO 通常用于：

• 控制 LED 状态
• 读取按键输入
• 控制设备的上电/复位
• EEPROM 写保护（如 wp-gpios）等。

二、传统 GPIO 编号 API 与 Descriptor API 的演进

1. 传统方式（GPIO 编号 API）

传统方式以 int gpio_num 表示某个 GPIO 引脚，通过编号进行操作。

int wp_gpio = of_get_named_gpio(np, "wp-gpios", 0);
devm_gpio_request_one(dev, wp_gpio, GPIOF_OUT_INIT_HIGH, "eeprom-wp");

缺点：

• 编号不具可移植性
• 不易支持动态命名和状态追踪
• 编号方式难以管理设备间的依赖

2. 现代方式（Descriptor API）

Descriptor API 使用 struct gpio_desc * 对 GPIO 引脚抽象，提供更清晰的语义和设备关系。

struct gpio_desc *wp_desc;
wp_desc = gpiod_get_optional(dev, "wp", GPIOD_OUT_HIGH);

优势：

• 与设备绑定，具备更强的设备树兼容能力
• 更安全，易于调试
• 自动管理资源（通过 devm_ 系列函数）

三、两种 API 对比总结

对比维度	编号 API	Descriptor API
表示方式	int 类型 GPIO 编号	struct gpio_desc * 指针
与设备关系	松散	强绑定：绑定 struct device
面向设备树	兼容性差，需要手动解析	完美支持 gpiod_get_optional()
自动释放资源	需要手动释放	使用 devm_ 系列自动释放
API 示例	gpio_request() / of_get_named_gpio()	gpiod_get() / gpiod_set_value()

四、实战：配置 EEPROM 的写保护 GPIO（以 at24.c 为例）

设备树配置

&i2c3 {
    eeprom@50 {
        compatible = "atmel,24c02";
        reg = <0x50>;
        wp-gpios = <&gpio4 17 GPIO_ACTIVE_LOW>; // 写保护引脚
    };
};

驱动代码（基于 Descriptor API）

struct gpio_desc *wp_desc;
wp_desc = gpiod_get_optional(dev, "wp", GPIOD_OUT_HIGH);
if (!IS_ERR_OR_NULL(wp_desc)) {
    dev_info(dev, "EEPROM WP GPIO 配置成功\n");
    gpiod_set_value(wp_desc, 0);  // 解除写保护
} else {
    dev_warn(dev, "未定义 WP 引脚\n");
}

五、关键概念讲解

1. gpiod_get_optional() 是做什么的？

• 从设备树中解析 <gpio-name>-gpios 属性（如 “wp-gpios”）
• 返回一个 GPIO 描述符（struct gpio_desc *）
• 如果未定义此属性，不报错，返回 NULL

适合对 GPIO 可选的场景（如 EEPROM 写保护引脚）

2. devm_ 系列函数的作用？

• 自动释放资源，无需手动调用 gpio_free()
• 与设备生命周期绑定

比如：

devm_gpio_request_one(dev, gpio_num, GPIOF_OUT_INIT_HIGH, "eeprom-wp");

3. gpio_desc 是什么？

• 是 GPIO 的内核抽象封装结构，代替传统编号
• 包含 GPIO 控制器信息、状态、电平、方向等

六、常见面试问答示例

❓ 问：你怎么理解新版 GPIO Descriptor API 的设计？

✅ 答：新版 Descriptor API 引入 gpio_desc * 结构体，代替原来的数字编号，更贴近设备的抽象模型。它与设备树结合更紧密，能更清晰地表示设备和 GPIO 的绑定关系，资源管理更安全，调试更方便。

❓ 问：什么时候使用 gpiod_get_optional()？

✅ 答：当某个 GPIO 并非设备工作所必需，比如 EEPROM 写保护引脚、可选 LED 控制引脚，可以使用 gpiod_get_optional()，避免在设备树未提供该属性时报错。

❓ 问：旧版 gpio_request() 和新版 gpiod_get() 有什么根本区别？

✅ 答：旧版直接基于编号管理 GPIO，无设备绑定，需手动释放；新版使用描述符结构绑定设备，支持资源自动管理，更加符合现代设备驱动架构。

七、练习建议与参考资源

推荐练习

• 在已有驱动中查找 gpio_request()，尝试用 Descriptor API 替换
• 编写一个简单平台设备，添加可选 GPIO 控制（如 LED、MUTE）
• 阅读 drivers/gpio/ 目录下的核心 GPIO 控制器实现

推荐阅读

• Linux 内核源码文档：Documentation/gpio/
• LWN 文章《The new GPIO descriptor interface》
• EEPROM 示例驱动：drivers/misc/eeprom/at24.c

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📘。配套视频请见 B 站 “嵌入式 Jerry”。

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