linux GPIO子系统

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linux GPIO子系统

linux中有各种各样的子模块系统，最简单的应该就是GPIO子系统了。GPIO（General Purpose Input Output），通俗的说就是输入输出管脚了，控制它状态，就是GPIO子系统了，滑稽脸.jpg。
一直都说，linux内核代码，满满的都是软件分层的设计思想，下面通过linux4.20.3版本的内核代码，以全志平台v3s为介绍，一起来学习一下Linux是如果针对这么多平台设计一套通过的GPIO框架的。

linux内核中，有GPIO子系统，还有一个叫pinctrl的小模块，它将会负责管理SOC中各pin的状态，比如输出电流能力、是否有内部上拉或者下拉，是否有功能复用等，这些参数，都是通过pinctrl设置的。

pinctrl

pinctrl相应的代码在/drivers/pinctrl目录下，文件列表如下：

├── core.c
├── core.h
├── devicetree.c
├── devicetree.h
├── pinconf.c
├── pinconf-generic.c
├── pinconf.h
├── pinctrl-single.c
├── pinctrl-utils.c
├── pinctrl-utils.h
├── pinmux.c
├── pinmux.h
└── sunxi
      ├── Kconfig
      ├── Makefile
      ├── pinctrl-sun8i-v3s.c
      ├── pinctrl-sunxi.c
      └── pinctrl-sunxi.h

注册pinctrl

linux内核是怎么知道当前有多少pin，各个pin作什么功能，这些信息都是通过相应平台的pinctrl驱动获取的，下面以sunxi-v3s为例进行介绍。
首先的将会在/drivers/pinctrl/sunxi目录下存在一个pinctrl-sun8i-v3s.c的文件，在该文件最后将会有这样的一个字段builtin_platform_driver(sun8i_v3s_pinctrl_driver)，简单理解就是通过builtin_platform_driver向内核注册了sun8i_v3s_pinctrl_driver这个pinctrl驱动。platform总线模型这里就不介绍了，只需要理解，当我们在dts中配置了相应的设备，同时compatible字段一致，即可成功匹配，接着将会执行相应的probe函数。

[ pinctrl-sun8i-v3s.c ]
static int sun8i_v3s_pinctrl_probe(struct platform_device *pdev)
{
	return sunxi_pinctrl_init(pdev,
				  &sun8i_v3s_pinctrl_data);
}

static const struct of_device_id sun8i_v3s_pinctrl_match[] = {
	{ .compatible = "allwinner,sun8i-v3s-pinctrl", },
	{}
};

static struct platform_driver sun8i_v3s_pinctrl_driver = {
	.probe	= sun8i_v3s_pinctrl_probe,
	.driver	= {
		.name		= "sun8i-v3s-pinctrl",
		.of_match_table	= sun8i_v3s_pinctrl_match,
	},
};

[ sun8i-v3s.dtsi ]
                pio: pinctrl@1c20800 {
                        compatible = "allwinner,sun8i-v3s-pinctrl";
                        reg = <0x01c20800 0x400>;

在v3s的pinctrl probe函数中，将会通过sunxi_pinctrl_init()函数将相应的pin信息注册到pinctrl模块中。
通过跟踪probe函数可以知道，在probe函数中还将通过struct sunxi_pinctrl_desc将pin的功能复用信息传递到了sunxi_pinctrl中，在probe中，将会解析pin的功能复用、pin个数、gooups数量等，最终通过devm_pinctrl_register()函数，将信息的信息登记到pinctrl_dev中，填充gpio_chip结构体，最后获取pin的中断等信息。

内核GPIO使用

相应的信息注册之后，其他的驱动又是如何使用这些pin呢，下面一起来看一下。
在内核中，需要使用GPIO之前，需要先通过[ /drivers/gpio/gpiolib-legacy.c ]gpio_request()函数申请相应的GPIO资源。

int gpio_request(unsigned gpio, const char *label)
{
	struct gpio_desc *desc = gpio_to_desc(gpio);

	/* Compatibility: assume unavailable "valid" GPIOs will appear later */
	if (!desc && gpio_is_valid(gpio))
		return -EPROBE_DEFER;

	return gpiod_request(desc, label);
}

显然，还函数的第一个参数就是pin的索引，第二个参数是pin标签，之前说到，pin可能存在多种功能，那么在request的时候，怎么知道当前应该使用什么功能呢。
在gpio_request()函数中，将会现先根据gpio通过gpio_to_desc()函数获取gpio_desc。在gpio_to_desc()函数中，就是将传递进来的gpio索引与全局链表gpio_devices作比较，最终得到该gpio所述的gpio_desc。那么该全局链表gpio_devices的信息又是什么时候添加的呢，是在pinctrl驱动的probe函数中通过gpiochip_add_data(pctl->chip, pctl)函数添加的（[probe()—>gpiochip_add_data()—>gpiochip_add_data_with_key()—>gpiodev_add_to_list()]）。

前面有提到，在pinctrl-sun8i-v3s.c中通过probe将pin相应信息传递到pinctrl_dev，下面我们假设需要内核串口申请PB0作为uart2的TX功能引脚。在request中，将会在gpiod_request_commit()函数中通过status = chip->request(chip, offset)调用到相应平台的request函数。还记得吧，sunxi平台的chip的request函数是在pinctrl的probe函数赋值为gpiochip_generic_request()函数，最终将会调用到core.c中的pinctrl_gpio_request()函数，将pin的引用加1。

static const struct sunxi_desc_pin sun8i_v3s_pins[] = {
	...
	SUNXI_PIN(SUNXI_PINCTRL_PIN(B, 0),
		  SUNXI_FUNCTION(0x0, "gpio_in"),
		  SUNXI_FUNCTION(0x1, "gpio_out"),
		  SUNXI_FUNCTION(0x2, "uart2"),		/* TX */
		  SUNXI_FUNCTION_IRQ_BANK(0x6, 0, 0)),	/* PB_EINT0 */
	...

那么又是如何确定该pin当前使用什么功能呢？这个是通过pinctrl_select_state()函数设置的，pinctrl_select_state()—>pinctrl_commit_state()—>pinmux_enable_setting()—>ops->set_mux()—>sunxi_pmx_set_mux()—>sunxi_pmx_set()，通过这样的一条通路，完成pin功能复用设置。

设置GPIO的输出值，代码通过如下：gpio_set_value()—>__gpio_set_value()—>gpiod_set_raw_value()—>gpiod_set_raw_value_commit()—>chip->set()—>sunxi_pinctrl_gpio_set()。

应用层又是如何设置GPIO呢？

要通过应用层配置GPIO状态，即通过sysfs接口访问GPIO，需要在编译之前先选上相应的接口，在内核主目录执行make menuconfig，按照以下操作执行：

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[ make menuconfig ]
 Device Drivers  --->
 	[*] GPIO Support  --->
 		[*]   /sys/class/gpio/... (sysfs interface) 

接着编译烧写之后，将会在/sys/class/gpio目录下存在三种文件：

• export/unexport文件
• gpioN指代具体的gpio引脚
• gpio_chipN指代gpio控制器

export/unexport文件接口

/sys/class/gpio/export，该接口只能写不能读
用户程序通过写入gpio的编号来向内核申请将某个gpio的控制权导出到用户空间当然前提是没有内核代码申请这个gpio端口
比如 echo 19 > export
上述操作会为19号gpio创建一个节点gpio19，此时/sys/class/gpio目录下边生成一个gpio19的目录

/sys/class/gpio/unexport和导出的效果相反。
比如 echo 19 > unexport
上述操作将会移除gpio19这个节点。

/sys/class/gpio/gpioN

指代某个具体的gpio端口,里边有如下属性文件：

• direction：表示gpio端口的方向，读取结果是in或out。该文件也可以写，写入out 时该gpio设为输出同时电平默认为低。写入low或high则不仅可以设置为输出 还可以设置输出的电平；
• value：表示gpio引脚的电平,0(低电平)1（高电平）,如果gpio被配置为输出，这个值是可写的，记住任何非零的值都将输出高电平, 如果某个引脚能并且已经被配置为中断，则可以调用poll(2)函数监听该中断，中断触发后poll(2)函数就会返回;

/sys/class/gpio/gpiochipN

gpiochipN表示的就是一个gpio_chip,用来管理和控制一组gpio端口的控制器，该目录下存在一下属性文件：

• base：和N相同，表示控制器管理的最小的端口编号；
• lable：诊断使用的标志（并不总是唯一的）；
• ngpio：表示控制器管理的gpio端口数量（端口范围是：N ~ N+ngpio-1）；

参考

• 蜗窝科技 GPIO子系统
• Linux内核驱动之gpio子系统的使用