GPIO到底该如何控制

作者 | 赵青窕

随着Linux内核代码的逐步完善，其GPIO口的操作接口也在不断完善。内核中存在多种GPIO API接口，我们该如何使用这些API接口呢?我们又该如何在设备树中配置GPIO呢?

目前的内核中提供了三种版本的API接口供我们使用，分别是Pinctrl子系统对应的API接口和GPIO子系统对应的API接口(GPIO子系统提供了两种类型的API接口)，在本文中我将会通过内核中GPIO架构的角度来说明这三类API接口;我们对GPIO的控制，除了合适的API接口外，还需要通过设备树对GPIO进行配置，虽然不同架构中设备树的配置方式不同，但本文中也会举例说明设备树如何配置，对应的代码中如何使用API接口;最后说明我们可以用到的调试手段。

1.内核GPIO架构

下图是内核中，GPIO架构中的核心部分框架图(暂时不考虑GPIO架构对应的sysfs和debugfs)：

图 1：GPIO架构

从上图中的上半部分可以看出以下关键信息：

• 内核提供了两种控制引脚的方式，一种是采用Pinctrl子系统，一种是采用GPIO子系统(该系统又有两种方式，后面小节中会进行说明)，用户编写驱动时可以调用这两个子系统提供的API接口来达到控制GPIO口的目的;
• GPIO子系统的功能是通过Pinctrl子系统来实现的。虽然从图中看出，Pinctrl子系统和GPIO子系统并存，但内核需要对所有的GPIO口进行管理，因此就需要一个统一的管理接口或者模块，Pinctrl就完成这种统一管理的目标，比如我们采用GPIO子系统的API接口gpio_request来申请GPIO口时，内核需要记录哪些GPIO口已经申请过了，若Pinctrl子系统和GPIO子系统各维护一套GPIO管理策略，那就可能导致Pinctrl子系统和GPIO子系统同时操作同一个GPIO口的情况，这种显然是不可行的，且从高通平台内核代码中可以看出gpio_request有如下的调用关系：

gpio_request—>gpiod_request—-> gpiod_request_commit—->chip->request(系统启动时设置为gpopchip_generic_request) —->pinctrl_gpio_request

该调用关系从GPIO子系统的API函数gpio_request最后调用了Pinctrl子系统的函数pinctrl_gpio_request，这种调用关系，也证实了Pinctrl和GPIO子系统的关系。对于其他接口，如gpio_direction_input，gpio_set_value等函数的调用，同gpio_request相似，其最后均是调用到对应的chip->direction_input,chip->set，进而调用pinctrl_gpio_direction_input，等函数，由于这类API函数比较多，在此就不展示其调用关系了;

• 内核采用结构体struct pinctrl_dev来表示一个控制器，所有的pinctrl_dev会形成链表，链表头就是pinctrldev_list，在函数pinctrl_gpio_request内部，会调用函数pinctrl_get_device_gpio_range来根据GPIO号，遍历链表pinctrldev_list来查找该GPIO口对应的pinctrl_dev，当然这部分工作均是由系统来维护，我们只需知道整个框架，并如何使用GPIO的整个子系统即可。

注意：目前从我看到的代码中发现，有些厂家在实现GPIO子系统时，并非所有的功能均通过Pinctrl子系统，但gpio_request是会通过Pinctrl子系统，因为Pinctrl子系统中会标记哪些GPIO已经request了，这样后续模块采用request继续申请该资源时就会失败;不过大家放心，即使其部分功能不通过Pinctrl子系统，但其对驱动模块提供的API接口不受其影响。

2.用户驱动中控制GPIO

在编写驱动时，可以采用以下两种方式来设置：

• Pinctrl方式，该方式最终是采用Pinctrl子系统来实现各项功能的;
• 采用GPIO子系统接口的方式，该方式其实有两种，分别是legacy和gpio description的方式。但目前的内核中，legacy内部会调用gpio description的方式，后面内容中，我会以legacy的方式来说明使用方法。

Pinctrl控制引脚方式

下面，我以高通平台Pinctrl的方式来说明其代码和设备树的配置。

我们先来看一下设备树:

&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>;
};
};

上面是典型的设备树的配置，其中包含两个节点，分别是tlmm中的引脚配置和我们的设备client1。

tlmm中定义了两种GPIO状态，分别是作为输入功能的GPIO0和作为输出功能的GPIO0。不同平台的设备树中的配置方法不同，但均需要像上面设备树那样，配置两部分：

引脚功能配置，是作为普通的GPIO口，还是复用为其他的功能;

引脚驱动配置，包括引脚内部的上拉或者下拉，驱动能力等。

接下来，一起看下代码中如何进行操作，其操作需要按照下面的顺序：

• 先调用devm_pinctrl_get或者pinctrl_get函数获取对应的struct pinctrl*;
• 紧接着调用pinctrl_lookup_state(struct pinctrl *p, const char *name)来根据name获取对应的配置;
• 最后我们采用函数pinctrl_select_state(struct pinctrl *p, struct pinctrl_state *state)来进行状态的选择。选择某一状态，就是设置了对应的引脚，且引脚的request操作是在该函数内部完成的，该函数内部会调用pin_request来进行申请，且调用该函数后，引脚的状态就是设备树中设备的状态，如上面设备树中，client1_state1对应的引脚使用了其GPIO功能，且配置为输入(设备树中是通过input-enable进行配置的)，client1_state2对应的引脚也使用了其GPIO的功能，且配置为输出高(设备树中是通过out-high进行配置的)。

采用GPIO子系统

&soc {
client1 {
qcom,gpio-client1 = <&tlmm 100 0>; //100就是GPIO号
}

这种方式在设备树的配置方式上比较简单，其代码操作如下：

• 使用函数of_get_named_gpio(node, ” qcom,gpio-client1″, 0)获取GPIO号。
• 接下来是最重要的一步，调用函数gpio_request来进行GPIO的request操作。该函数最后会通过Pinctrl接口间接调用pin_request来进行引脚的申请操作。之前有一次工作中粗心，忘记request操作，但发现该GPIO可能也会正常操作，但会有工作不稳定的情况发生;
• 接下来可以调用函数gpio_direction_input或者gpio_direction_output来进行GPIO输入或者输出模式的配置，gpio_direction_output调用的同时，可以设置输出高或者输出低;
• 如果配置位输入模式，则可以使用函数gpio_get_value来获取GPIO口的状态。

如果需要把引脚配置为中断功能，则我们需要使用函数irq = gpio_to_irq(gpio)来获得irq号，根据irq号来进行适当的中断配置。

通过上面两种方式，我们可以发现Pinctrl的方式，其设备树复杂，但API接口简单，只需要通过函数pinctrl_select_state选择设备树中某一配置即可。GPIO子系统的方式是设备树简单，但代码复杂，设备树中只配置了GPIO号，其余的如GPIO的方向及输出信号均需要通过代码来进行设置，这正是不同API接口及其设备树的优缺点。

3.GPIO调试

不同平台的调试方式可能会存在一些差异，比如MTK的不同平台间都会有差异，在此我就介绍一种常见的需要debugfs支持的方式。

我们在编译内核时，需要配置相应的debugfs宏来打开该功能，只有配置相应宏后，我们就可以进入机器的/sys/class/gpio下对GPIO口进行操作，下面是对应的操作顺序：

• cd /sys/class/gpio/
• echo 99 > export(此处99代表引脚号，确切地说echo时，应采用对应引脚gpio_request获得到的数值)
• cd gpio99
• echo in/out > direction //设置GPIO输入或输出
• cat direction //获取GPIO输入输出状态
• echo 0/1 > value //拉低或者拉高对应的GPIO口
• cat value //查看GPIO口的高低状态

4.总结

希望大家通过本文，可以了解内核中GPIO的机制并掌握其操作方法，但需要说明的是在内核之前的阶段也会进行引脚的配置，比如我们使用串口来打印bootloader阶段的日志，这种情况下串口引脚一定是在内核之前的阶段进行配置的。

作者介绍

赵青窕，51CTO社区编辑，从事多年驱动开发。研究兴趣包含安全OS和网络安全领域，发表过网络相关专利。