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。

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。

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。

&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>;};};

• 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。

• 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）。

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

• 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。

• 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

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