【linux】驱动-11-gpio子系统

前言

参考文档：

内核文档链接：https://www.kernel.org/doc/Documentation/
内核源码doc：Documentation/devicetree/bindings/pinctrl/pinctrl-bindings.txt
如在开发过程中遇到问题，建议可以查找内核源码&内核文档。

建议：复制以下链接，到原文观看，原文排版清晰，便于学习。

原文链接：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/14652611.html
李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/

11. gpio子系统

引脚配置为 GPIO 模式后，便可使用 GPIO子系统 来控制引脚。
可以通过 pinctrl子系统 配置，也可以自己编程配置。

参考文档：Documentation/devicetree/bindings/gpio/ 下对应芯片厂商的文件。

11.1 操作步骤

在设备树对应节点中指定引脚。(哪一组、组里哪一个引脚)
在驱动程序中通过 GPIO 子系统提供的 API 控制引脚。

11.1.1 新版 API 操作流程

个人喜欢用代码格式表述：

/** @file driver.c
 * @brief 驱动教程文件
 * @details 
 * @author lzm
 * @date 2021-04-09 20:22:22
 * @version v1.0
 * @copyright Copyright By lizhuming, All Rights Reserved
 * @cnblogs   https://www.cnblogs.com/lizhuming/
 **********************************************************
 * @LOG 修改日志:
 **********************************************************
 */

/* gpio 子系统开发步骤 */

/* [gpio][1] 请求引脚 */
/* 使用 gpiod_get() 或 devm_gpiod_get() 或 gpiod_get_index() 或 devm_gpiod_get_index() 等等函数 */

/* [gpio][2] 设置方向 */
/* 使用 gpiod_direction_input() 或 gpiod_direction_output() 等等函数 */

/* [gpio][3] 导出到应用层 */
/* 使用 gpiod_export() 函数 */

/* [gpio][4] 设置/获取 值 */
/* 使用 gpiod_set_value() 或 gpiod_get_value() 等等函数 */

/* [gpio][5] 转中断，注册中断 */
/* 使用 gpiod_set_value() 和 request_irq() 函数 */

/* [gpio][6] 释放引脚 */
/* 使用 gpiod_put() 或 gpiod_put() 函数 */

11.1.2 旧版 API 操作流程

流程和新版 API 操作流程差不多。找到对应的函数即可。

11.2 设备树中使用gpio子系统

在设备树中，GPIO组 就是一个 GPIO Controller。

GPIO组 的节点内容是由芯片厂商设置好的，一般在芯片厂商提供的设备树头文件 xxx.dtsi 中。如 IMX6UL 的就在 imx6ull.dtsi 文件中定义。
用户只需要做的是根据芯片厂商文档格式要求，在相应设备树节点中填写引脚信息。
如 IMX6ULL：fsl-imx-gpio.txt。

一般，我们参考 GPIO组 节点里面的两个属性即可：

gpio-controller：
- 如果 GPIO组 节点内含有该属性，则表示该节点为 GPIO 控制器节点。
gpio-cells：
- 表示这个控制器下的每一个引脚需要用多少个 32 位数来描述。

如 IMX6ULL：

gpio-controller: Marks the device node as a gpio controller.
#gpio-cells: Should be two.
- The first cell is the pin number.
- The second cell is used to specify the gpio polarity:
  - 0 = active high.
  - 1 = active low.

例子：

/*添加rgb_led节点*/
rgb_led{
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    compatible = "fire,rgb-led"; // 节点兼容性
    /* pinctrl 子系统 */
    pinctrl-names = "default"; // 引脚状态名称表
    pinctrl-0 = <&pinctrl_rgb_led>; // 第 0 个状态使用的引脚
    /* GPIO子系统 */
    rgb_led_red = <&gpio1 4 GPIO_ACTIVE_LOW>; // 使用的引脚 。旧版
    rgb_led_green-gpios = <&gpio4 20 GPIO_ACTIVE_LOW>; // 新版
    rgb_led_blue-gpios = <&gpio4 19 GPIO_ACTIVE_LOW>; // 新版
    status = "okay";
};

分析 rgb_led_red = <&gpio1 4 GPIO_ACTIVE_LOW>;：

rgb_led_red：自定义的引脚名字。（旧版）
- 新版必须使用 gpios 或后缀为 -gpios 的属性名。这样才能使用新的 GPIO 子系统 API。
- 如：rgb_led_red 改为 rgb_led_red-gpios。
&gpio1：GPIO组1。
4：第 4 号引脚。
GPIO_ACTIVE_LOW：低电平有效。

11.3 GPIO 子系统 API 说明

GPIO 子系统有两套API：

基于描述符（descriptor-based）：
- 前缀为 gpiod_。
- 使用 gpio_desc 几个题来表示一个引脚。
- 参考文档：Documentation/gpio/consumer.txt
老接口（legacy）：
- 前缀为 gpio_。
- 使用一个整数来表示一个引脚。
- 参考文档：Documentation/gpio/gpio-legacy.txt

11.3.1 驱动操作一个引脚的步骤

get 引脚。
设置引脚方向。
读、写引脚。

11.3.2 API 所需头文件

#include <linux/gpio/consumer.h>   // 基于描述符

#include <linux/gpio.h>            // 老接口

11.3.3 主要结构体

gpio_desc:

struct gpio_desc 
{
    struct gpio_chip  *chip;  /* 这个 gpio pin 所在的 chip */
    unsigned long  flags;    /*  设置 is_out flag */
    const char  *label;        /* label 就是名字 */
};

源码路径：内核源码\drivers\gpio\gpiolib.h

struct gpio_descs 
{
    unsigned int ndescs; // gpio_desc 个数
    struct gpio_desc *desc[]; // gpio_desc
}

源码路径：内核源码\drivers\gpio\gpiolib.h

11.4 新旧版互相兼容转换 API

旧版API是使用整数标记引脚的；
新版API是使用字符标记引脚的。
但是引脚都是唯一的，所以两者可以相互转化。

转化函数：

desc_to_gpio()
gpio_to_desc()

desc_to_gpio：

函数原型：int desc_to_gpio(const struct gpio_desc *desc)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 通过引脚 gpio_desc 结构体指针获取引脚 GPIO 号。
- gpio：GPIO number。

gpio_to_desc：

函数原型：struct gpio_desc *gpio_to_desc(unsigned gpio)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 通过引脚 GPIO 号获取引脚 gpio_desc 结构体指针。
- gpio：GPIO number。

11.5 descriptor-based 版常用 API

11.5.1 获取 GPIO

gpiod_get：

函数原型：struct gpio_desc *gpiod_get(struct device *dev, const char *con_id,enum gpiod_flags flags)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 获取 dev 设备，con_id 的第 0 个引脚信息，并做 flags 初始化。
- dev：设备指针。从该设备获取引脚信息。
- con_id：引脚组名称（不包含前缀）。
  - 如引脚组名为 rgb_led_green-gpios。则 con_id = "rgb_led_green"。
- flags：初始化标志。
  - GPIOD_ASIS or 0 to not initialize the GPIO at all. The direction must be set later with one of the dedicated functions.
  - GPIOD_IN to initialize the GPIO as input.
  - GPIOD_OUT_LOW to initialize the GPIO as output with a value of 0.
  - GPIOD_OUT_HIGH to initialize the GPIO as output with a value of 1.
  - GPIOD_OUT_LOW_OPEN_DRAIN same as GPIOD_OUT_LOW but also enforce the line to be electrically used with open drain.
  - GPIOD_OUT_HIGH_OPEN_DRAIN same as GPIOD_OUT_HIGH but also enforce the line to be electrically used with open drain.
- 返回：
  - 成功：gpio_desc 结构体指针。
  - 失败：-ENOENT。具体可通过 IS_ERR() 获取返回码。

gpiod_get_index：

函数原型：struct gpio_desc *gpiod_get_index(struct device *dev, const char *con_id, unsigned int idx, enum gpiod_flags flags)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 获取 dev 设备，con_id 的第 idx 个引脚信息，并做 flags 初始化。

gpiod_get_array：

函数原型：struct gpio_descs *__must_check gpiod_get_array(struct device *dev, const char *con_id, enum gpiod_flags flags)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 获取 dev 设备 con_id 的所有引脚信息，并做 flags 初始化。

其它获取GPIO的函数：

gpiod_get_optional：和 gpiod_get 差不多。不同的是该函数返回 gpio_desc 结构体指针 或 NULL。
gpiod_get_index_optional
gpiod_get_index_optional
devm_xxx：以上函数均可添加 devm_ 前缀。比以上函数多了绑定设备，设备被删除时，自动释放引脚。

11.5.2 释放 GPIO

gpiod_put：

函数原型：void gpiod_put(struct gpio_desc *desc)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 释放 desc 引脚。
- desc：gpio_desc 结构体指针。

其它释放GPIO的函数：

gpiod_put_array
devm_gpiod_put
devm_gpiod_put_array

11.5.3 设置/获取 GPIO 方向

gpiod_direction_input：

函数原型：int gpiod_direction_input(struct gpio_desc *desc)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 设置该引脚为输入方向。

gpiod_direction_output：

函数原型：int gpiod_direction_output(struct gpio_desc *desc, int value)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 设置该引脚为输入方向。
- value：设置方向后的初始值。

gpiod_get_direction：

函数原型：int gpiod_get_direction(struct gpio_desc *desc)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 获取引脚方向。
- 返回：
  - 0：输出。
  - 1：输入。

11.5.4 导出 GPIO 到 sysfs

将 gpio 通过 sys 文件系统导出，应用层可以通过文件操作gpio。如查看状态、设置状态等等。

主要用于调试。

导出后访问路径：/sys/class/gpio 下。

gpiod_export：

函数原型：int gpiod_direction_input(struct gpio_desc *desc)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib-sysfs.c
- 把该 gpio 导出到 sys。

gpiod_unexport：

函数原型：void gpiod_unexport(struct gpio_desc *desc)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib-sysfs.c
- 取消导出。

11.5.5 设置/获取 GPIO 值

有两种访问方式：

原子方式。
队列方式。

gpiod_get_value：

函数原型：int gpiod_get_value(const struct gpio_desc *desc)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 获取引脚值。
- 返回：
  - 成功：非负数：zero for low, nonzero for high。
  - 失败：负数。

gpiod_set_value：

函数原型：int gpiod_set_value(struct gpio_desc *desc, int value)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c

以上两种函数均属原子操作，能作用于中断程序
以下两种函数，在队列中等待访问引脚，可能会进入睡眠，不能作用于中断

访问必须通过消息总线比如I2C或者SPI，这些需要在队列中访问。

gpiod_get_value_cansleep：

函数原型：int gpiod_get_value_cansleep(const struct gpio_desc *desc)

gpiod_set_value_cansleep：

函数原型：void gpiod_set_value_cansleep(struct gpio_desc *desc, int value)

可以使用 gpiod_cansleep() 函数分辨该引脚是否需要通过消息总线访问

gpiod_cansleep：

函数原型：int gpiod_cansleep(const struct gpio_desc *desc)

11.5.6 GPIO IRQ

gpiod_to_irq：

函数原型：int gpiod_to_irq(const struct gpio_desc *desc)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 获取该引脚对应的 IRQ number。
- 返回：
  - 成功：中断号。
  - 失败：负数。

request_irq：

函数原型：static inline int __must_check request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib.c
- 请求中断。
- irq：中断号。
- handler：中断回调函数。
- flags：中断类型。
- name：请求中断的设备名称。
- dev：可取任意值。
  - 但必须唯一能够代表发出中断请求的设备。
  - 通常取描述该设备的结构体，或NULL。
  - 用于共享中断时。（若中断被共享，则不能为 NULL）

11.5.7 GPIO 逻辑电平与物理电平

当设备采用低电平有效时，即是低电平为逻辑 1，高电平为逻辑 0。

raw-value：忽略 DTS 中的 ACTIVE。即是实际的物理电平。
有以下函数：

int gpiod_get_raw_value(const struct gpio_desc *desc);
void gpiod_set_raw_value(struct gpio_desc *desc, int value);
int gpiod_get_raw_value_cansleep(const struct gpio_desc *desc);
void gpiod_set_raw_value_cansleep(struct gpio_desc *desc, int value);
int gpiod_direction_output_raw(struct gpio_desc *desc, int value);

逻辑电平相关函数与物理电平相关函数对比：

Function (example)	line property	physical line
gpiod_set_raw_value(desc, 0);	don't care	low
gpiod_set_raw_value(desc, 1);	don't care	high
gpiod_set_value(desc, 0);	default (active high)	low
gpiod_set_value(desc, 1);	default (active high)	high
gpiod_set_value(desc, 0);	active low	high
gpiod_set_value(desc, 1);	active low	low
gpiod_set_value(desc, 0);	default (active high)	low
gpiod_set_value(desc, 1);	default (active high)	high
gpiod_set_value(desc, 0);	open drain	low
gpiod_set_value(desc, 1);	open drain	high impedance
gpiod_set_value(desc, 0);	open source	high impedance
gpiod_set_value(desc, 1);	open source	high

11.6 legacy 版常用 API

内核参考文章：https://www.kernel.org/doc/Documentation/gpio/gpio-legacy.txt

尽管建议升级使用新版API，但是现在很多子系统依然使用旧版API。
所以，本笔记也记录旧版API。

11.6.1 判断 GPIO number

gpio_is_valid：

函数原型：static inline bool gpio_is_valid(int number)
- 源码路径：include\asm-generic\gpio.h
- 判断 GPIO number 是否有效。
- 返回：
  - 有效：1。
  - 无效：0。

11.6.2 申请 GPIO

gpio_request：

函数原型：int gpio_request(unsigned gpio, const char *label)
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib-legacy.c
- 申请 GPIO。
- gpio：需要申请的 GPIO 编号。
- label：引脚名字，相当于为申请到的引脚取个别名。
- 返回：
  - 成功：0。
  - 失败：负数。
其它请求函数：
- gpio_request_one()
- gpio_request_array()

11.6.3 释放 GPIO

gpio_free：

函数原型：static inline void gpio_free(unsigned gpio);
- 源码路径：drivers\gpio\gpiolib-legacy.c
- 申请 GPIO。
- gpio：需要释放的 GPIO 编号。
其它释放函数：
- gpio_free_array()

11.6.3 设置 GPIO 方向

gpio_direction_input：

函数原型：static inline int gpio_direction_input(unsigned gpio)
- 源码路径：include\linux\gpio.h
- 把 gpio 引脚设置为为输入方向。
- gpio：GPIO 编号。
- 返回：
  - 成功：0。
  - 失败：负数。

gpio_direction_output：

函数原型：static inline int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value)
- 源码路径：include\linux\gpio.h
- 把 gpio 引脚设置为为输出方向。
- gpio：GPIO 编号。
- value：初始值。
- 返回：
  - 成功：0。
  - 失败：负数。

11.6.4 导出 GPIO 到 sysfs

将 gpio 通过 sys 文件系统导出，应用层可以通过文件操作gpio。如查看状态、设置状态等等。
主要用于调试。