LinuxGPIO子系统1

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于 2024-12-16 11:26:20 发布

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分类专栏： Linux内核子系统文章标签： linux 服务器数据库

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LinuxGPIO子系统1（基于Linux6.6）---整体框架

一、概述

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）是嵌入式系统中常用的硬件接口，用于与外部设备进行交互。在Linux操作系统中，GPIO是用于管理和控制这些引脚的一种机制。Linux的GPIO子系统为开发者提供了对GPIO引脚的访问接口，并能够通过文件系统接口、sysfs接口、设备驱动接口等多种方式对GPIO进行控制。

1. GPIO的基本概念

GPIO引脚通常是集成电路（如微控制器、单板计算机、SoC等）上提供的、可以配置为输入或输出的数字引脚。GPIO的基本功能包括：

输入模式：从外部设备读取信号（例如按钮、开关等）。
输出模式：向外部设备发送信号（例如点亮LED灯、控制继电器等）。

2. Linux中的GPIO子系统

在Linux中，GPIO子系统为每个支持GPIO功能的硬件平台提供一个统一的接口。这个接口主要通过设备树（Device Tree）、sysfs、IOCTL等方式进行访问。

3. GPIO的访问方式

设备树（Device Tree）

设备树是Linux内核中用于描述硬件配置的方式，GPIO的定义通常也通过设备树进行配置。通过设备树，内核可以识别GPIO引脚及其功能，进而进行正确的配置。

设备树中通常会定义GPIO的相关信息，例如引脚号、功能、输入输出模式等。

Sysfs接口

在Linux中，GPIO引脚的控制可以通过 sysfs 文件系统访问。每个GPIO引脚会被映射到 /sys/class/gpio/ 目录下，通过文件操作的方式进行读写。

IOCTL接口

IOCTL（输入输出控制）接口是一种通过系统调用进行设备控制的方式。对于GPIO，IOCTL接口通常在驱动程序中使用，提供比sysfs更灵活且高效的控制方式。开发者可以通过编写内核驱动来实现对GPIO的高级控制，适用于性能要求较高的场景。

GPIO驱动

GPIO驱动是内核中的设备驱动，通常用于提供硬件抽象层，以便用户空间程序可以通过标准接口（如sysfs、IOCTL等）访问GPIO。GPIO驱动通常会处理硬件的初始化、配置以及输入输出操作。

二、GPIO相关硬差异

每个目标板（target board）上的GPIO引脚配置确实可能存在差异。不同的硬件平台、芯片、开发板甚至不同的硬件版本，其GPIO的引脚数量、功能、映射方式以及支持的特性都有可能不同。下面列举一些典型的差异：

1. GPIO引脚数量和分布

不同的目标板可能支持不同数量的GPIO引脚。一个开发板上可能有几十个GPIO引脚，而另一个开发板上则可能只有少数几个。常见的差异包括：

引脚数量：不同的硬件平台（如树莓派、BeagleBone、NVIDIA Jetson等）可能会提供不同数量的GPIO引脚。某些开发板可能有几十个GPIO引脚，而另一些则可能只有几个。
引脚位置：即使是相同数量的GPIO引脚，位置和排列顺序也会有所不同。开发板上GPIO引脚的物理排列通常是根据硬件设计来决定的，不同厂商的板子会有不同的排布。

2. GPIO引脚的复用功能

许多现代芯片支持GPIO引脚的复用（Pin Multiplexing），即同一引脚可以根据配置担任不同的功能（如SPI、I2C、UART、PWM等）。不同的目标板可以将同一个GPIO引脚配置为不同的功能。典型的复用功能包括：

SPI、I2C、UART：很多开发板上的GPIO引脚不仅仅支持普通的输入输出，还可以配置为串行通信接口的信号线（例如SCK、MOSI、MISO、SDA、SCL等）。
PWM输出：某些GPIO引脚支持PWM（脉冲宽度调制）输出，用于控制马达、灯光等设备。
外部中断：GPIO引脚还可以配置为触发外部中断，响应硬件事件。

例如，在树莓派中，某些GPIO引脚同时支持I2C、SPI、UART等多种功能，但这些功能需要通过软件配置来启用。

3. GPIO引脚的电压级别

不同目标板上的GPIO引脚可能支持不同的电压级别。例如：

3.3V与5V：一些开发板上的GPIO引脚工作电压为3.3V（如树莓派），而另一些则可能是5V（如Arduino）。这就意味着，在设计电路时需要特别注意电压兼容性，以免损坏GPIO引脚。
输入电压范围：不同平台的GPIO引脚支持的输入电压范围不同，某些平台可能支持宽电压范围，而有些则可能更为敏感。

4. GPIO的配置方式

每个目标板的GPIO配置方式也不同。常见的配置方式包括：

设备树（Device Tree）：在Linux内核中，设备树是一种用来描述硬件平台资源的结构，包括GPIO引脚的功能和配置。在不同的目标板上，设备树的内容可能有所不同。
内核驱动配置：某些硬件平台提供特定的内核驱动，用于支持GPIO的初始化和配置。开发者需要根据目标板的文档或驱动来进行正确的GPIO配置。

5. GPIO控制接口

不同的开发板可能提供不同的GPIO控制接口来访问GPIO引脚。常见的控制接口包括：

sysfs接口：如上文所述，sysfs接口通常适用于简单的GPIO操作（如控制输入输出）。不过，sysfs接口在性能和灵活性上有一定的限制，因此对于更高效的操作，有些平台可能不再推荐使用。
/dev/gpio控制接口：某些平台提供特定的设备文件（如 /dev/gpio），用于直接与GPIO引脚进行交互。这通常需要特定的驱动或内核模块。
IOCTL接口：高级操作通常通过IOCTL接口来完成，可以为GPIO引脚提供更细粒度的控制。
用户空间库：如WiringPi（树莓派）、pigpio等库，可以简化GPIO的控制，提供跨平台的GPIO接口。

6. GPIO电流限制

每个目标板的GPIO引脚的电流承载能力也有所不同。一些开发板的GPIO引脚能够驱动较大的负载（如大功率LED或小型继电器），而另一些可能只能驱动微小电流。这对于设计电路时需要特别注意，可能需要添加外部电路（如晶体管或驱动器）来增加电流容量。

7. GPIO与外设的兼容性

一些开发板的GPIO引脚专为某些外设而设计，这意味着它们可能已经有硬件或软件的优化。常见的例子包括：

树莓派的GPIO引脚：树莓派的GPIO引脚支持多种外设，包括I2C、SPI、PWM等，并且提供了简单易用的接口。
Arduino的GPIO引脚：Arduino的GPIO引脚通常被用于控制简单的电子设备，并且支持外部扩展模块的连接。

8. 硬件限制

不同硬件平台（如ARM架构、x86架构、Raspberry Pi、BeagleBone等）可能会对GPIO的实现方式有所不同。例如：

树莓派：树莓派使用Broadcom的SoC，其GPIO引脚的控制和使用方法通过官方的Raspberry Pi库和设备树进行管理。
BeagleBone：BeagleBone使用TI的Sitara处理器，GPIO的访问和配置与树莓派有所不同，提供了更多的硬件控制能力，适合更复杂的嵌入式应用。

三、硬件功能分类

GPIO控制器的硬件描述中，寄存器的功能通常可以分为以下三个主要类别：

1. 配置寄存器 (Configuration Registers)

这些寄存器用于配置每个GPIO引脚的工作模式、功能和属性。这些配置包括设置输入输出模式、复用功能、上拉下拉电阻等。常见的配置寄存器功能有：

方向控制：确定GPIO引脚是输入（Input）还是输出（Output）。例如，通过设置特定位，可以将一个GPIO引脚配置为输入模式（读取电平）或输出模式（驱动电平）。
功能选择：许多GPIO引脚支持复用功能（Pin Multiplexing），即同一个引脚可以根据配置承担不同的功能，如UART、SPI、I2C、PWM等。配置寄存器控制这些功能的选择。
上拉/下拉电阻控制：GPIO引脚通常支持上拉电阻或下拉电阻的启用/禁用，用来确保在没有外部驱动时，输入引脚的电平处于已知状态。配置寄存器允许设置这些电阻的类型或启用状态。

2. 数据寄存器 (Data Registers)

数据寄存器用于读取或写入GPIO引脚的实际数据（电平状态）。常见的数据寄存器功能有：

数据输出寄存器：在输出模式下，控制GPIO引脚的电平状态（高或低）。通过写入数据寄存器，可以驱动引脚输出高电平或低电平。
数据输入寄存器：在输入模式下，读取GPIO引脚的电平状态。通过读取数据寄存器，系统可以获取外部设备或传感器的电平状态。
数据寄存器位操作：对于单个引脚，可以通过位操作设置或读取引脚的状态，而不影响其他引脚。例如，控制GPIO引脚0的输出而不影响GPIO引脚1、2等。

3. 状态/中断寄存器 (Status/Interrupt Registers)

这些寄存器用于控制和查询GPIO的中断功能，以及监控GPIO引脚的状态。常见的状态和中断寄存器功能有：

中断使能寄存器：允许启用或禁用特定GPIO引脚的中断功能。当GPIO引脚的状态发生变化时（例如，从低电平变为高电平），可以通过中断触发CPU响应。这些寄存器用来设置哪些引脚需要触发中断。
中断状态寄存器：显示哪些GPIO引脚发生了中断，允许操作系统或微控制器处理这些中断信号。例如，可以查询哪个GPIO引脚的电平发生了变化，并决定如何响应。
中断触发类型：这些寄存器还允许配置中断触发的类型，如上升沿触发、下降沿触发或电平触发。
状态寄存器：用于查看GPIO引脚的当前状态。例如，读取一个状态寄存器，可以获取某个GPIO引脚是否处于高电平或低电平。

四、如何通过软件抽象来掩盖硬件差异

Linux kernel中的GPIO subsystem则用三个软件模块来对应上面三类硬件功能：

（1）pin control subsystem。驱动pin controller硬件的软件子系统。

（2）GPIO subsystem。驱动GPIO controller硬件的软件子系统。

（3）GPIO interrupt chip driver。这个模块是作为一个interrupt subsystem中的一个底层硬件驱动模块存在的。本文主要描述前两个软件模块，具体GPIO interrupt chip driver以及interrupt subsystem请参考本站其他相关文档。

4.1、pin control subsystem 模块图

下图描述了pin control subsystem的模块图：

底层的pin controller driver是硬件相关的模组，初始化的时候会向pin control core模块注册pin control设备（通过pinctrl_register这个bootom level interface）。pin control core模块是一个硬件无关模块，它抽象了所有pin controller的硬件特性，仅仅从用户（各个driver就是pin control subsystem的用户）角度给出了top level的接口函数，这样，各个driver不需要关注pin controller的底层硬件相关的内容。