GPIO子系统

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。

GPIO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。

GPIO子系统的重要概念

GPIO Controller

芯片GPIO一般分为几组，例如GPIO1、GPIO2又或者GPIOA、GPIOB等等，而每一组GPIO下面又有多个引脚，比如GPIO1这组引脚，下面有32个脚可以用，定义为GPIO1_0~GPIO1_31 。

我们这里所说的GPIO Controller 就是GPIO组的概念，每个组就是一个GPIO Controller，举例说明如下图所示：

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以imx6ull为例说明，gpio子系统中如何在设备树种定义：

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在设备树中一般芯片原厂已经指定GPIO Controller，我们只需使用即可，比如上面的ds18b20设备

设备驱动程序使用GPIO子系统

GPIO子系统有两套接口：

  • 基于描述符的(descriptor-based)：函数都有前缀gpiod_，它使用gpio_desc结构体来表示一个引脚

    需要包含头文件

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

  • 老的(legacy)：函数都有前缀gpio_，它使用一个整数来表示一个引脚

    #include <linux/gpio.h>            // legacy

两套驱动API接口如下对比如下

descriptor-based legacy 说明
获得GPIO
gpiod_get gpio_request
gpiod_get_index
gpiod_get_array gpio_request_array
devm_gpiod_get
devm_gpiod_get_index
devm_gpiod_get_array
设置方向
gpiod_direction_input gpio_direction_input
gpiod_direction_output gpio_direction_output
读值、写值
gpiod_get_value gpio_get_value
gpiod_set_value gpio_set_value
释放GPIO
gpio_free gpio_free
gpiod_put gpio_free_array
gpiod_put_array
devm_gpiod_put
devm_gpiod_put_array

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

使用说明：

假如有下面的设备节点

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>;
	};

在驱动中如何获取red green blue和power三个引脚的gpio呢

struct gpio_desc *red, *green, *blue, *power;
// 取led-gpios 里面的0 1 2索引的gpio 分别对应red green blue
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);
//取名字为power的gpio 对应为power
power = gpiod_get(dev, "power", GPIOD_OUT_HIGH);

注意：如果设置了GPIO_ACTIVE_LOW属性，说明激活的时候是低电平，也就是使用gpiod_set_value(gpio,1)，对应的实际物理电平是低电平，gpiod_set_value(gpio,0)对应的实际物理电平是高电平。

实际如下：

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sysfs中访问方法

在sysfs中访问GPIO，实际上用的就是引脚号，老的方法。

  1. 先确定引脚的所在组的基准引脚号

    • 开发板的/sys/class/gpio目录下，找到各个gpiochipXXX目录

      ../../_images/image-20221202085919642.png

    • 然后进入某个gpiochip目录，查看文件label的内容

    • 根据label的内容对比设备树

    • 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。

    ../../_images/image-20221202085939049.png

  2. 在命令行操作gpio

    假如要读取那么GPIO4_14，号码是96+14=110，可以如下操作读取值

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

    假如设置GPIO4_14，号码是96+14=110，可以如下操作设置值

    echo  110 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio110/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio110/value #设置high
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio110/value #设置低
echo  110 > /sys/class/gpio/unexport

    C编程使用方法

    #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <linux/fs.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <termios.h>
#include <sys/ioctl.h>
// 等价于 echo  110 > /sys/class/gpio/export
int gpio_fd;
gpio_fd = open("/sys/class/gpio/export",O_WRONLY);
write(gpio_fd,"110",strlen("110"));
close(gpio_fd);

//等价于echo out > /sys/class/gpio/gpio110/direction
gpio_fd = open("/sys/class/gpio/gpio110/direction",O_RDWR);
write(gpio_fd,"out",strlen("out"));
close(gpio_fd);

gpio_fd = open("/sys/class/gpio/gpio24/value",O_RDWR);
write(gpio_fd,"1",strlen("1")); //等价于 echo 1 > /sys/class/gpio/gpio110/value
write(gpio_fd,"0",strlen("0")); //等价于 echo 0 > /sys/class/gpio/gpio110/value
close(gpio_fd);

GPIO子系统的层次

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GPIO lib向上提供API接口

descriptor-based legacy 说明
获得GPIO
gpiod_get gpio_request
gpiod_get_index
gpiod_get_array gpio_request_array
devm_gpiod_get
devm_gpiod_get_index
devm_gpiod_get_array
设置方向
gpiod_direction_input gpio_direction_input
gpiod_direction_output gpio_direction_output
读值、写值
gpiod_get_value gpio_get_value
gpiod_set_value gpio_set_value
释放GPIO
gpio_free gpio_free
gpiod_put gpio_free_array
gpiod_put_array
devm_gpiod_put
devm_gpiod_put_array

GPIO lib向下提供API接口

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GPIO子系统核心数据结构

gpio_device

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gpio_chip

  • 控制引脚的函数

  • 中断相关的函数

  • 引脚信息：支持多少个引脚？各个引脚的名字？

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gpio_desc

我们去使用GPIO子系统时，首先是获得某个引脚对应的gpio_desc，gpio_device表示一个GPIO Controller，里面支持多个GPIO，在gpio_device中有一个gpio_desc数组，每一引脚有一项gpio_desc。

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如何编写GPIO Controller驱动程序

分配、设置、注册gpioc_chip结构体，示例：drivers\gpio\gpio-74x164.c

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