作者 | 趙青窕

隨著Linux內(nèi)核代碼的逐步完善，其GPIO口的操作接口也在不斷完善。內(nèi)核中存在多種GPIO API接口，我們?cè)撊绾问褂眠@些API接口呢?我們又該如何在設(shè)備樹中配置GPIO呢?

目前的內(nèi)核中提供了三種版本的API接口供我們使用，分別是Pinctrl子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的API接口和GPIO子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的API接口(GPIO子系統(tǒng)提供了兩種類型的API接口)，在本文中我將會(huì)通過內(nèi)核中GPIO架構(gòu)的角度來說明這三類API接口;我們對(duì)GPIO的控制，除了合適的API接口外，還需要通過設(shè)備樹對(duì)GPIO進(jìn)行配置，雖然不同架構(gòu)中設(shè)備樹的配置方式不同，但本文中也會(huì)舉例說明設(shè)備樹如何配置，對(duì)應(yīng)的代碼中如何使用API接口;最后說明我們可以用到的調(diào)試手段。

1.內(nèi)核GPIO架構(gòu)

下圖是內(nèi)核中，GPIO架構(gòu)中的核心部分框架圖(暫時(shí)不考慮GPIO架構(gòu)對(duì)應(yīng)的sysfs和debugfs)：

圖 1：GPIO架構(gòu)

從上圖中的上半部分可以看出以下關(guān)鍵信息：

• 內(nèi)核提供了兩種控制引腳的方式，一種是采用Pinctrl子系統(tǒng)，一種是采用GPIO子系統(tǒng)(該系統(tǒng)又有兩種方式，后面小節(jié)中會(huì)進(jìn)行說明)，用戶編寫驅(qū)動(dòng)時(shí)可以調(diào)用這兩個(gè)子系統(tǒng)提供的API接口來達(dá)到控制GPIO口的目的;
• GPIO子系統(tǒng)的功能是通過Pinctrl子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。雖然從圖中看出，Pinctrl子系統(tǒng)和GPIO子系統(tǒng)并存，但內(nèi)核需要對(duì)所有的GPIO口進(jìn)行管理，因此就需要一個(gè)統(tǒng)一的管理接口或者模塊，Pinctrl就完成這種統(tǒng)一管理的目標(biāo)，比如我們采用GPIO子系統(tǒng)的API接口gpio_request來申請(qǐng)GPIO口時(shí)，內(nèi)核需要記錄哪些GPIO口已經(jīng)申請(qǐng)過了，若Pinctrl子系統(tǒng)和GPIO子系統(tǒng)各維護(hù)一套GPIO管理策略，那就可能導(dǎo)致Pinctrl子系統(tǒng)和GPIO子系統(tǒng)同時(shí)操作同一個(gè)GPIO口的情況，這種顯然是不可行的，且從高通平臺(tái)內(nèi)核代碼中可以看出gpio_request有如下的調(diào)用關(guān)系：

gpio_request--->gpiod_request----> gpiod_request_commit---->chip->request(系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置為gpopchip_generic_request) ---->pinctrl_gpio_request

該調(diào)用關(guān)系從GPIO子系統(tǒng)的API函數(shù)gpio_request最后調(diào)用了Pinctrl子系統(tǒng)的函數(shù)pinctrl_gpio_request，這種調(diào)用關(guān)系，也證實(shí)了Pinctrl和GPIO子系統(tǒng)的關(guān)系。對(duì)于其他接口，如gpio_direction_input，gpio_set_value等函數(shù)的調(diào)用，同gpio_request相似，其最后均是調(diào)用到對(duì)應(yīng)的chip->direction_input,chip->set，進(jìn)而調(diào)用pinctrl_gpio_direction_input，等函數(shù)，由于這類API函數(shù)比較多，在此就不展示其調(diào)用關(guān)系了;

• 內(nèi)核采用結(jié)構(gòu)體struct pinctrl_dev來表示一個(gè)控制器，所有的pinctrl_dev會(huì)形成鏈表，鏈表頭就是pinctrldev_list，在函數(shù)pinctrl_gpio_request內(nèi)部，會(huì)調(diào)用函數(shù)pinctrl_get_device_gpio_range來根據(jù)GPIO號(hào)，遍歷鏈表pinctrldev_list來查找該GPIO口對(duì)應(yīng)的pinctrl_dev，當(dāng)然這部分工作均是由系統(tǒng)來維護(hù)，我們只需知道整個(gè)框架，并如何使用GPIO的整個(gè)子系統(tǒng)即可。

注意：目前從我看到的代碼中發(fā)現(xiàn)，有些廠家在實(shí)現(xiàn)GPIO子系統(tǒng)時(shí)，并非所有的功能均通過Pinctrl子系統(tǒng)，但gpio_request是會(huì)通過Pinctrl子系統(tǒng)，因?yàn)镻inctrl子系統(tǒng)中會(huì)標(biāo)記哪些GPIO已經(jīng)request了，這樣后續(xù)模塊采用request繼續(xù)申請(qǐng)?jiān)撡Y源時(shí)就會(huì)失敗;不過大家放心，即使其部分功能不通過Pinctrl子系統(tǒng)，但其對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊提供的API接口不受其影響。

2.用戶驅(qū)動(dòng)中控制GPIO

在編寫驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以采用以下兩種方式來設(shè)置：

• Pinctrl方式，該方式最終是采用Pinctrl子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的;
• 采用GPIO子系統(tǒng)接口的方式，該方式其實(shí)有兩種，分別是legacy和gpio description的方式。但目前的內(nèi)核中，legacy內(nèi)部會(huì)調(diào)用gpio description的方式，后面內(nèi)容中，我會(huì)以legacy的方式來說明使用方法。

Pinctrl控制引腳方式

下面，我以高通平臺(tái)Pinctrl的方式來說明其代碼和設(shè)備樹的配置。

我們先來看一下設(shè)備樹:

&tlmm{
client1_state1: client1_state1 {
mux {
pins = "gpio0";
function = "gpio";
};
config {
pins = "gpio0";
bias-disable;
drive-strength =<2> ;
input-enable;
};
};
client1_state2: client1_state2 {
mux {
pins = "gpio0";
function = "gpio";
};
config {
pins = "gpio0";
bias-disable;
drive-strength = <2>;
output-high;
};
};
};

&soc {
client1 {
pinctrl-names = "state1", "state2";
pinctrl-0 = <&client1_state1 >;
pinctrl-1 = <&client1_state2>;
};
};

上面是典型的設(shè)備樹的配置，其中包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是tlmm中的引腳配置和我們的設(shè)備client1。

tlmm中定義了兩種GPIO狀態(tài)，分別是作為輸入功能的GPIO0和作為輸出功能的GPIO0。不同平臺(tái)的設(shè)備樹中的配置方法不同，但均需要像上面設(shè)備樹那樣，配置兩部分：

引腳功能配置，是作為普通的GPIO口，還是復(fù)用為其他的功能;

引腳驅(qū)動(dòng)配置，包括引腳內(nèi)部的上拉或者下拉，驅(qū)動(dòng)能力等。

接下來，一起看下代碼中如何進(jìn)行操作，其操作需要按照下面的順序：

• 先調(diào)用devm_pinctrl_get或者pinctrl_get函數(shù)獲取對(duì)應(yīng)的struct pinctrl*;
• 緊接著調(diào)用pinctrl_lookup_state(struct pinctrl *p, const char *name)來根據(jù)name獲取對(duì)應(yīng)的配置;
• 最后我們采用函數(shù)pinctrl_select_state(struct pinctrl *p, struct pinctrl_state *state)來進(jìn)行狀態(tài)的選擇。選擇某一狀態(tài)，就是設(shè)置了對(duì)應(yīng)的引腳，且引腳的request操作是在該函數(shù)內(nèi)部完成的，該函數(shù)內(nèi)部會(huì)調(diào)用pin_request來進(jìn)行申請(qǐng)，且調(diào)用該函數(shù)后，引腳的狀態(tài)就是設(shè)備樹中設(shè)備的狀態(tài)，如上面設(shè)備樹中，client1_state1對(duì)應(yīng)的引腳使用了其GPIO功能，且配置為輸入(設(shè)備樹中是通過input-enable進(jìn)行配置的)，client1_state2對(duì)應(yīng)的引腳也使用了其GPIO的功能，且配置為輸出高(設(shè)備樹中是通過out-high進(jìn)行配置的)。

采用GPIO子系統(tǒng)

&soc {
client1 {
qcom,gpio-client1 = <&tlmm 100 0>; //100就是GPIO號(hào)
}

這種方式在設(shè)備樹的配置方式上比較簡(jiǎn)單，其代碼操作如下：

• 使用函數(shù)of_get_named_gpio(node, " qcom,gpio-client1", 0)獲取GPIO號(hào)。
• 接下來是最重要的一步，調(diào)用函數(shù)gpio_request來進(jìn)行GPIO的request操作。該函數(shù)最后會(huì)通過Pinctrl接口間接調(diào)用pin_request來進(jìn)行引腳的申請(qǐng)操作。之前有一次工作中粗心，忘記request操作，但發(fā)現(xiàn)該GPIO可能也會(huì)正常操作，但會(huì)有工作不穩(wěn)定的情況發(fā)生;
• 接下來可以調(diào)用函數(shù)gpio_direction_input或者gpio_direction_output來進(jìn)行GPIO輸入或者輸出模式的配置，gpio_direction_output調(diào)用的同時(shí)，可以設(shè)置輸出高或者輸出低;
• 如果配置位輸入模式，則可以使用函數(shù)gpio_get_value來獲取GPIO口的狀態(tài)。

如果需要把引腳配置為中斷功能，則我們需要使用函數(shù)irq = gpio_to_irq(gpio)來獲得irq號(hào)，根據(jù)irq號(hào)來進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹袛嗯渲谩?/p>

通過上面兩種方式，我們可以發(fā)現(xiàn)Pinctrl的方式，其設(shè)備樹復(fù)雜，但API接口簡(jiǎn)單，只需要通過函數(shù)pinctrl_select_state選擇設(shè)備樹中某一配置即可。GPIO子系統(tǒng)的方式是設(shè)備樹簡(jiǎn)單，但代碼復(fù)雜，設(shè)備樹中只配置了GPIO號(hào)，其余的如GPIO的方向及輸出信號(hào)均需要通過代碼來進(jìn)行設(shè)置，這正是不同API接口及其設(shè)備樹的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.GPIO調(diào)試

不同平臺(tái)的調(diào)試方式可能會(huì)存在一些差異，比如MTK的不同平臺(tái)間都會(huì)有差異，在此我就介紹一種常見的需要debugfs支持的方式。

我們?cè)诰幾g內(nèi)核時(shí)，需要配置相應(yīng)的debugfs宏來打開該功能，只有配置相應(yīng)宏后，我們就可以進(jìn)入機(jī)器的/sys/class/gpio下對(duì)GPIO口進(jìn)行操作，下面是對(duì)應(yīng)的操作順序：

• cd /sys/class/gpio/
• echo 99 > export(此處99代表引腳號(hào)，確切地說echo時(shí)，應(yīng)采用對(duì)應(yīng)引腳gpio_request獲得到的數(shù)值)
• cd gpio99
• echo in/out > direction //設(shè)置GPIO輸入或輸出
• cat direction //獲取GPIO輸入輸出狀態(tài)
• echo 0/1 > value //拉低或者拉高對(duì)應(yīng)的GPIO口
• cat value //查看GPIO口的高低狀態(tài)

4.總結(jié)

希望大家通過本文，可以了解內(nèi)核中GPIO的機(jī)制并掌握其操作方法，但需要說明的是在內(nèi)核之前的階段也會(huì)進(jìn)行引腳的配置，比如我們使用串口來打印bootloader階段的日志，這種情況下串口引腳一定是在內(nèi)核之前的階段進(jìn)行配置的。

作者介紹

趙青窕，51CTO社區(qū)編輯，從事多年驅(qū)動(dòng)開發(fā)。研究興趣包含安全OS和網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，發(fā)表過網(wǎng)絡(luò)相關(guān)專利。