GPIO子系统自主实现（简单版）

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。

1.1 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。

1.2 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

1.3 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子系统重要概念

2.1  引入

要操作GPIO引脚，先把所用引脚配置为GPIO功能，这通过Pinctrl子系统来实现。

然后就可以根据设置引脚方向(输入还是输出)、读值──获得电平状态，写值──输出高低电平。

以前我们通过寄存器来操作GPIO引脚，即使LED驱动程序，对于不同的板子它的代码也完全不同。

当BSP工程师实现了GPIO子系统后，我们就可以：

a. 在设备树里指定GPIO引脚

b. 在驱动代码中：

使用GPIO子系统的标准函数获得GPIO、设置GPIO方向、读取/设置GPIO值。

这样的驱动代码，将是单板无关的。

2.2  在设备树中指定引脚

在几乎所有ARM芯片中，GPIO都分为几组，每组中有若干个引脚。所以在使用GPIO子系统之前，就要先确定：它是哪组的？组里的哪一个？

在设备树中，“GPIO组”就是一个GPIO Controller，这通常都由芯片厂家设置好。我们要做的是找到它名字，比如“gpio1”，然后指定要用它里面的哪个引脚，比如<&gpio1  0>。

有代码更直观，下图是一些芯片的GPIO控制器节点，它们一般都是厂家定义好，在xxx.dtsi文件中：

我们暂时只需要关心里面的这2个属性：

gpio-controller;
#gpio-cells = <2>;
“gpio-controller”表示这个节点是一个GPIO Controller，它下面有很多引脚。
“#gpio-cells = <2>”表示这个控制器下每一个引脚要用2个32位的数(cell)来描述。

为什么要用2个数？其实使用多个cell来描述一个引脚，这是GPIO Controller自己决定的。比如可以用其中一个cell来表示那是哪一个引脚，用另一个cell来表示它是高电平有效还是低电平有效，甚至还可以用更多的cell来示其他特性。

普遍的用法是，用第1个cell来表示哪一个引脚，用第2个cell来表示有效电平：

GPIO_ACTIVE_HIGH ： 高电平有效
GPIO_ACTIVE_LOW  :  低电平有效

定义GPIO Controller是芯片厂家的事，我们怎么引用某个引脚呢？在自己的设备节点中使用属性"[<name>-]gpios"，示例如下：

上图中，可以使用gpios属性，也可以使用name-gpios属性。

2.3  在驱动代码中调用GPIO子系统

在设备树中指定了GPIO引脚，在驱动代码中如何使用？

也就是GPIO子系统的接口函数是什么？

GPIO子系统有两套接口：基于描述符的(descriptor-based)、老的(legacy)。前者的函数都有前缀“gpiod_”，它使用gpio_desc结构体来表示一个引脚；后者的函数都有前缀“gpio_”，它使用一个整数来表示一个引脚。

要操作一个引脚，首先要get引脚，然后设置方向，读值、写值。

驱动程序中要包含头文件，

#include <linux/gpio/consumer.h>   // descriptor-based
或
#include <linux/gpio.h>            // legacy

操作函数有前缀“devm_”的含义是“设备资源管理”(Managed Device Resource)，这是一种自动释放资源的机制。它的思想是“资源是属于设备的，设备不存在时资源就可以自动释放”。

比如在Linux开发过程中，先申请了GPIO，再申请内存；如果内存申请失败，那么在返回之前就需要先释放GPIO资源。如果使用devm的相关函数，在内存申请失败时可以直接返回：设备的销毁函数会自动地释放已经申请了的GPIO资源。

建议使用“devm_”版本的相关函数。

举例，假设备在设备树中有如下节点：

foo_device {
		compatible = "acme,foo";
		...
		led-gpios = <&gpio 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>, /* red */
			    <&gpio 16 GPIO_ACTIVE_HIGH>, /* green */
			    <&gpio 17 GPIO_ACTIVE_HIGH>; /* blue */

		power-gpios = <&gpio 1 GPIO_ACTIVE_LOW>;
	};

那么可以使用下面的函数获得引脚：

struct gpio_desc *red, *green, *blue, *power;

red = gpiod_get_index(dev, "led", 0, GPIOD_OUT_HIGH);
green = gpiod_get_index(dev, "led", 1, GPIOD_OUT_HIGH);
blue = gpiod_get_index(dev, "led", 2, GPIOD_OUT_HIGH);
power = gpiod_get(dev, "power", GPIOD_OUT_HIGH);

要注意的是，gpiod_set_value设置的值是“逻辑值”，不一定等于物理值。

什么意思？

旧的“gpio_”函数没办法根据设备树信息获得引脚，它需要先知道引脚号。

引脚号怎么确定？

在GPIO子系统中，每注册一个GPIO Controller时会确定它的“base number”，那么这个控制器里的第n号引脚的号码就是：base number + n。

但是如果硬件有变化、设备树有变化，这个base number并不能保证是固定的，应该查看sysfs来确定base number。

2.4  sysfs中的访问方法_IMX6ULL

在sysfs中访问GPIO，实际上用的就是引脚号，老的方法。

a. 先确定某个GPIO Controller的基准引脚号(base number)，再计算出某个引脚的号码。

方法如下：

① 先在开发板的/sys/class/gpio目录下，找到各个gpiochipXXX目录：

② 然后进入某个gpiochip目录，查看文件label的内容

③ 根据label的内容对比设备树

label内容来自设备树，比如它的寄存器基地址。用来跟设备树(dtsi文件)比较，就可以知道这对应哪一个GPIO Controller。

下图是在100asK_imx6ull上运行的结果，通过对比设备树可知gpiochip96对应gpio4：

所以gpio4这组引脚的基准引脚号就是96，这也可以“cat  base”来再次确认。

b. 基于sysfs操作引脚：

以100ask_imx6ull为例，它有一个按键，原理图如下：

那么GPIO4_14的号码是96+14=110，可以如下操作读取按键值：

echo  110 > /sys/class/gpio/export
echo in > /sys/class/gpio/gpio110/direction
cat /sys/class/gpio/gpio110/value
echo  110 > /sys/class/gpio/unexport

注意：如果驱动程序已经使用了该引脚，那么将会export失败，会提示下面的错误：

对于输出引脚，假设引脚号为N，可以用下面的方法设置它的值为1：

echo  N > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpioN/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpioN/value
echo  N > /sys/class/gpio/unexport