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GPIO

本章节将对内核GPIO模块进行介绍。

GPIO (General Purpose Input Output,通用输入输出)有时也被称为 IO 口。既能输出也能输入。是嵌入式系统中重要的一部分。

在 Linux 系统中,GPIO 通常由 Pinctrl 系统进行管理。Linux 定义了 Pinctrl 框架,统一了各大 SoC 厂商的 Pin 管理方式,避免了各大厂商自行实现自己的 Pin 管理系统,是一个非常有用的功能。

Pinctrl 系统

许多 SoC 内部都包含 Pin 控制器,通过 Pin 控制器,我们可以配置一个或一组引脚的功能和特 性。在软件上,Linux 内核 Pinctrl 驱动可以操作 Pin 控制器为我们完成如下工作:

  • 在 Linux 中命名 pin 控制器可以控制的所有引脚
  • 提供引脚的复用功能
  • 提供配置引脚的能力,如驱动能力、上拉下拉、数据属性等
  • 与 gpio 子系统的交互
  • 实现中断

针对全志平台,使用的框架叫做 SUNXI Pinctrl,其框架如下图所示。整个驱动模块可以分成 4 个部分:Pinctrl InterfacePinctrl FrameworkPinctrl Driver,以及 Device Tree

  • Pinctrl Interface:提供给上层用户调用的接口,可以给各类外设驱动,也可以提供 GPIO 子系统的接口。
  • Pinctrl Framework:Linux 提供的 Pinctrl 驱动框架。
  • Pinctrl Driver:底层 Pin 控制器的驱动,对于全志平台则是 SUNXI Pinctrl。
  • Device Tree:设备 Pin 配置信息,一般保存在设备树里。

image-20220707182218638

而 Pinctrl Framework 主要处理 Pin State、Pin Mux 和 Pin Config 三个功能

(1)Pin State:系统运行在不同的状态,其 Pin 的配置有可能不一样,比如系统正常运行时,设备的 Pin 需要一组配置,但系统进入休眠时,为了节省功耗,设备 Pin 需要另一组配置。Pinctrl Framwork 提供了三种 Pin State可供切换:default, sleep, idle,对应正常模式,休眠模式 和 空闲模式。

(2)Pin Mux:Pin 的功能不是唯一的,一个 Pin 可能支持很多功能。例如 查阅 GPIO MUX 表格,可以看到 PE0 这个 Pin 有 8 个 MUX。当我想用 PE0 作为 PWM 输出的时候,我就需要设置 PE0 的 Pin Mux 为 5。

image-20220708105520847

你可能注意到了,Pin Function 的 id 并不是从 0 开始的。例如这里没有 Function 0、1,因为 Function 0 是单向输入模式,Function 1 是单向输出模式,由于所有引脚都具有这样的功能,所以在 PinMux 表内就被省略了。另外这里 Function 8 后其实有 Function 9~13,但是因为没有绑定对应功能所以在 PinMux 表内被省略了。Function 14 是中断的 mux,而 Function 15 表示关闭这个 Pin。

所以完整的 PinMux 表应该是这样的(以 PE0 为例 Function 简写为 F):

Pin Name F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15
PE0 输入 输出 NCSI-PCLK RGMII-RXD1 I2S-MCLK PWM0 SDC1-CLK UART3-TX TWI3-SCK 保留 保留 保留 保留 保留 中断 关闭

(3)Pin Config:读取设备树里的 Pin 的配置文件,并确定 Pin 的驱动能力、上拉下拉、数据属性。同时也提供上层驱动的接口。

下面是 Pinctrl 源码结构

linux
|
|-- drivers
|    |-- pinctrl                          # Linux Kernel 的实现
|    |       |-- Kconfig
|    |       |-- Makefile
|    |       |-- core.c
|    |       |-- core.h
|    |       |-- devicetree.c
|    |       |-- devicetree.h
|    |       |-- pinconf.c
|    |       |-- pinconf.h
|    |       |-- pinmux.c
|    |       `-- pinmux.h
|    `-- sunxi                            # 全志平台的实现
|           |-- pinctrl-sunxi-test.c
|           |-- pinctrl-sun*.c
|           `-- pinctrl-sun*-r.c
`-- include                               # 头文件
     `-- linux
          `-- pinctrl
                  |-- consumer.h
                  |-- devinfo.h
                  |-- machine.h
                  |-- pinconf-generic.h
                  |-- pinconf.h
                  |-- pinctrl-state.h
                  |-- pinctrl.h
                  `-- pinmux.h

设备树配置

Pinctrl 的设备树分为三个部分:

第一部分包括基础的寄存器配置、设备驱动绑定配置和时钟中断配置,还定义了一些基础的 Pin 的绑定。这一部分的配置位于 kernel/linux-4.9/arch/arm/boot/dts/sun8iw21p1-pinctrl.dtsi 文件内。这一部分通常不需要修改。
目前,在全志平台,根据电源域注册了两个 Pinctrl 设备,分别是:r_pio 设备 (PL0 后的所有 Pin(包括PL0)) 和 pio 设备 (PL0 前的所有 Pin),这里截取一部分简单说明下各个配置的信息。

r_pio: pinctrl@07022000 {
    compatible = "allwinner,sun8iw21p1-r-pinctrl";   // 兼容属性,用于驱动和设备绑定
    reg = <0x0 0x07022000 0x0 0x400>;                // 寄存器基地址0x07022000和范围0x400
    interrupts = <GIC_SPI 106 4>;                    // 该设备每个bank支持的中断配置和gic中断号
    device_type = "r_pio";                           // 设备类型属性
    gpio-controller;                                 // 表示是一个gpio控制器
    interrupt-controller;                            // 表示是一个中断控制器
    #interrupt-cells = <3>;                          // Pin 中断属性需要配置的参数个数
    #size-cells = <0>;                               // 没有使用,配置0
};

pio: pinctrl@02000000 {
    compatible = "allwinner,sun8iw21p1-pinctrl";     // 兼容属性,用于驱动和设备绑定
    reg = <0x0 0x02000000 0x0 0x400>;                // 寄存器基地址0x02000000和范围0x400
    interrupts = <GIC_SPI 67 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,   // 该设备每个bank支持的中断配置和
                 <GIC_SPI 71 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,   // gic中断号,每个中断号对应一个
                 <GIC_SPI 73 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,   // 支持中断的bank
                 <GIC_SPI 75 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 77 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 79 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 81 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 83 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    device_type = "pio";                             // 设备类型属性
    clocks = <&clk_apb0>;                            // 该设备使用的时钟
    gpio-controller;                                 // 表示是一个gpio控制器
    interrupt-controller;                            // 表示是一个中断控制器
    #interrupt-cells = <3>;                          // pin中断属性需要配置的参数个数
    #size-cells = <0>;                               // 没有使用这个配置
    #gpio-cells = <6>;                               // gpio属性需要配置的参数个数
    input-debounce = <0 0 0 1 0 0 0>;                // 配置中断采样频率
                                                     // 每个对应一个支持中断的bank,单位us
    uart0_pins_a: uart0@0 {                          // uart0_pins_a 模块
        allwinner,pins = "PH9", "PH10";              // 绑定的引脚
        allwinner,function = "uart0";                // 给定设备类型属性
        allwinner,muxsel = <5>;                      // 选择 5 号功能的 mux
        allwinner,drive = <1>;                       // Pin 的驱动力
        allwinner,pull = <1>;                        // 默认上拉
    };
};

第二部分定义了 Pin 的其他功能,扩展功能等等,位于 device/config/chips/v853/configs/vision/board.dts 设备树内。这里也截取一部分。

&pio {
    wlan_pins_a: wlan@0 {
        allwinner,pins = "PG6";
        allwinner,function = "fanout0";
        allwinner,muxsel = <3>;
    };

    uart0_pins_active: uart0@0 {
        allwinner,pins = "PH9", "PH10";
        allwinner,function = "uart0";
        allwinner,muxsel = <5>;
        allwinner,drive = <1>;
        allwinner,pull = <1>;
    };

    uart0_pins_sleep: uart0@1 {
        allwinner,pins = "PH9", "PH10";
        allwinner,function = "gpio_in";
        allwinner,muxsel = <0>;
    };

    uart1_pins_active: uart1@0 {
        allwinner,pins = "PG6", "PG7";
        allwinner,function = "uart1";
        allwinner,muxsel = <4>;
        allwinner,drive = <1>;
        allwinner,pull = <1>;
    };

    uart1_pins_sleep: uart1@1 {
        allwinner,pins = "PG6", "PG7";
        allwinner,function = "gpio_in";
        allwinner,muxsel = <0>;
    };

    uart2_pins_active: uart2@0 {
        allwinner,pins = "PE12", "PE13", "PE10", "PE11";
        allwinner,function = "uart2";
        allwinner,muxsel = <6>;
        allwinner,drive = <1>;
        allwinner,pull = <1>;
    };

    uart2_pins_sleep: uart2@1 {
        allwinner,pins = "PE12", "PE13", "PE10", "PE11";
        allwinner,function = "gpio_in";
        allwinner,muxsel = <0>;
    };

    ... 下略 ...

第三部分则是对接驱动的配置,对于使用 Pin 的驱动来说,设备树里主要设置了 Pin 的常见的三种功能:

  • 只配置通用GPIO,即用来做输入、输出和中断的那部分
  • 需要设置 Pin 的 Pin Mux,如 UART 设备的 Pin,MIPI LCD 设备的 MIPI 数据 Pin 等,用于特殊功能
  • 驱动使用者既要配置 Pin 的通用功能,也要配置 Pin 的特性

下面对这三种常见配置举例:

(1)只配置通用GPIO,即用来做输入、输出和中断的那部分 :

需求

USB 的 OTG ID 脚接到了 PE0 引脚上,当插入的是 U盘 等下位机设备时切换 OTG 到 HOST 模式,当插入 电脑 等上位机连接开发板 ADB 时,切换 OTG 到 DEVICE 模式。

当设备检测到 ID 信号为低时,表该设备应作为 Host(主机,也称A设备)用。
当设备检测到 ID 信号为高时,表示该设备作为 Device (外设,也称B设备)用。

这是他的配置,我们重点关注 usb_id_gpio = <&pio PE 0 0 1 0xffffffff 0xffffffff>; 这一部分

&usbc0 {
    device_type = "usbc0";
    usb_port_type = <0x2>;
    usb_detect_type = <0x1>;
    usb_detect_mode = <0x0>;
    usb_id_gpio     = <&pio PE 0 0 1 0xffffffff 0xffffffff>;   // 重点
    usb_det_vbus_gpio = "axp_ctrl";
    det_vbus_supply = <&gpio_charger>;
    usb_regulator_io = "nocare";
    usb_wakeup_suspend = <0x0>;
    usb_luns = <0x3>;
    usb_serial_unique = <0x0>;
    usb_serial_number = "20080411";
    status = "okay";
};

其中的 gpios = <&pio PE 0 0 1 0xffffffff 0xffffffff>; 定义如下:

    gpios = <&pio   PE  0   0   1   0   0xffffffff>;
                |   |   |   |   |   |   `---输出电平,只有output才有效,这里是输入所以不使用
                |   |   |   |   |   `-------驱动能力,值为 0 时采用默认值
                |   |   |   |   `-----------上下拉,值为 1 时采用默认值,这里默认上拉
                |   |   |   `---------------复用类型,这里是输入,所以是 Function 0 复用
                |   |   `-------------------当前 bank 中哪个引脚,这里是 PE 组内 0 号引脚
                |   `-----------------------哪个 bank,这里是 PE Pin 组
                `---------------------------指向哪个 pio,PL0 后要用 &r_pio

(2)需要设置 Pin 的 Pin Mux,如 UART 设备的 Pin,MIPI LCD 设备的 MIPI 数据 Pin 等,用于特殊功能

需求

配置 PH9PH10 作为 UART0

这里是他的配置,由于 PH Bank 在 PL 之前,所以需要在 &pio 内配置uart的

&pio {
    uart0_pins_active: uart0@0 {             // 正常模式使用的 pinctrl
        allwinner,pins = "PH9", "PH10";      // 使用PH9, PH10 引脚
        allwinner,function = "uart0";        // 功能是 uart0
        allwinner,muxsel = <5>;              // 查阅复用表得知是 Function 5
        allwinner,drive = <1>;               // 驱动力设置 1
        allwinner,pull = <1>;                // 默认上拉
    };

    uart0_pins_sleep: uart0@1 {              // 休眠模式使用的 pinctrl
        allwinner,pins = "PH9", "PH10";      // 使用PH9, PH10 引脚
        allwinner,function = "gpio_in";      // 功能是 gpio_in
        allwinner,muxsel = <0>;              // 设置为输入模式
    };
};

&uart0 {
    pinctrl-names = "default", "sleep";      // 两个 pinctrl 工作模式的名称
    pinctrl-0 = <&uart0_pins_active>;        // 模块正常模式下对应的 Pin 配置
    pinctrl-1 = <&uart0_pins_sleep>;         // 模块休眠模式下对应的 Pin 配置
    status = "okay";                         // 启用这个模块
};

其中的:

  • pinctrl-0对应pinctrl-names中的default,即模块正常工作模式下对应的 Pin 配置
  • pinctrl-1对应pinctrl-names中的sleep,即模块休眠模式下对应的 Pin 配置

(3)驱动使用者既要配置 Pin 的通用功能,也要配置 Pin 的特性

需求

需要驱动一块使用 GT911 驱动芯片的触摸屏,触摸屏使用 TWI 与 SoC 通讯,并且使用 SoC 的 TWI2 与触摸屏通讯。触摸屏的引脚与 SoC 连接方式如下表:

SCK SDA INT RST
PH5 PH6 PH7 PH8

这时就需要配置两个部分,第一部分是 TWI 接口的特殊功能(同样,这里只注意 Pin相关的配置,TWI 相关的配置不用理会)

&pio {
    twi2_pins_a: twi2@0 {                         // 正常模式使用的 pinctrl
        allwinner,pins = "PH5", "PH6";            // 使用 PH5 PH6 引脚
        allwinner,pname = "twi2_scl", "twi2_sda"; // 两个脚的名称
        allwinner,function = "twi2";              // 功能是 twi2
        allwinner,muxsel = <4>;                   // 查询可知是 Function 4
        allwinner,drive = <0>;                    // TWI 是开漏输出外部上拉的,所以驱动能力为0
        allwinner,pull = <1>;                     // 当然也可以使用芯片自己配置上拉,不过芯片驱动能力较弱可能导致上拉不完全
    };

    twi2_pins_b: twi2@1 {                         // 休眠模式使用的 pinctrl
        allwinner,pins = "PH5", "PH6";            // 使用 PH5 PH6 引脚
        allwinner,function = "io_disabled";       // 禁用这个脚
        allwinner,muxsel = <0xf>;                 // 16进制的15,在mux表内表示关闭
        allwinner,drive = <0>;                    // 驱动能力0
        allwinner,pull = <0>;                     // 不上拉
    };
};

&twi2 {
    pinctrl-0 = <&twi2_pins_a>;                   // 模块正常模式下对应的 Pin 配置
    pinctrl-1 = <&twi2_pins_b>;                   // 模块休眠模式下对应的 Pin 配置
    pinctrl-names = "default", "sleep";           // 两个 pinctrl 工作模式的名称
    clock-frequency = <400000>;
    twi_drv_used = <0>;
    twi_pkt_interval = <0>;
    status = "okay";                              // 启用模块

    goodix {
        compatible = "goodix,gt911";
        reg = <0x40>;
        int-gpios = <&pio PH 7 0 0 1 0>;          // 配置 PH7,输入模式
        reset-gpios = <&pio PH 8 1 0 1 0>;        // 配置 PH8,输出模式
        touchscreen-size-x = <1280>;
        touchscreen-size-y = <720>;
        status = "okay";                          // 启用模块
    };
};

Kernel 配置

make kernel_menuconfig 进入配置主界面,选择 Device Drivers 并进入

image-20220708132358491

找到 Pin controllers ,进入下一级菜单

image-20220708132525467

找到 Allwinner SOC PINCTRL DRIVER 进入下一级菜单

image-20220708132619572

勾选 [*] Pinctrl sun8iw21p1 PIO controller 即可

image-20220708132702209

使用 GPIO

这里通过两个小例子来介绍下怎么使用 GPIO 驱动(点灯)

使用 Linux 的文件节点点亮一颗 LED

Linux 里万物皆为文件,GPIO 也不例外,接下来就介绍下怎么使用 Linux 的文件节点点灯。

(1)启用 GPIO 子系统的文件调用界面

GPIO 子系统是基于 Pinctrl 框架下的最简单的 GPIO 操作软件。而它又提供了一套简单的文件系统可以直接以文件进行操作。

先配置下内核, make kernel_menuconfig 进入配置主界面,选择 Device Drivers 并进入

image-20220708132358491

找到 GPIO Support 进入下级菜单

image-20220708173916748

勾选下 [*] /sys/class/gpio/... (sysfs interface)

image-20220708174208228

编译,烧写即可。

(2)找到需要点亮的 GPIO

看一下原理图,可以看到有一颗名叫 DP2 的 LED 灯,通过网络标签 LED-REC 连接到主控的 PH11 脚上,拉低就能点亮。

image-20220708174928881

image-20220708175031640

我们来计算下 PH11 的 IO 号 7 * 32 + 11 = 235,那就导出 235 号 GPIO

root@TinaLinux:/# echo 235 > /sys/class/gpio/export

然后到导出的文件节点查看下

root@TinaLinux:/# cd /sys/class/gpio/gpio235
root@TinaLinux:/# ls

image-20220708175353119

可以看到一些文件,我们可以通过读写这些文件来点亮这颗 LED

  • 首先设置 GPIO 为输出状态
root@TinaLinux:/# echo out > direction
  • 然后点亮 LED
root@TinaLinux:/# echo 0 > value

LED

  • 也可以关闭
root@TinaLinux:/# echo 1 > value

编写一个内核驱动,点亮 LED

首先我们编写这样一个内核驱动程序 led.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <mach/gpio.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/wait.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/device.h>

#define COUNT 1

#define LED_IO GPIOH(11)         // 要点亮的 led 

#define dev_name "V853_LED"

dev_t device_id;                 // 存放设备 ID
struct cdev led_cdev;            // led cdev 结构
static struct class *led_class;  // led 类操作

// 定义 Open 函数
static int led_open(struct inode *inode_, struct file *file_)
{
    int ret;
    ret = gpio_request(LED_IO, "led_0");
    if (ret < 0)
    {
        return ret;
    }
    else
    {
        gpio_direction_output(LED_IO, 0);
        return 0;
    }
}

// 定义写操作
static ssize_t led_write(struct file *file_, const char *__user buf_, size_t len_, loff_t *loff_)
{
    char stat; int ret;

    ret = copy_from_user(&stat, buf_, sizeof(char));  // 读取用户写入的信息
    if(ret < 0)
        return ret;

    if (!stat)                                        // 因为 LED 是下拉点亮,所以反选,如果是上拉点亮那就删除 !
    {
        gpio_set_value(LED_IO, 0);                    // 点亮一颗 LED
    } 
    else
    {
        gpio_set_value(LED_IO, 1);                    // 熄灭 LED
    }
    return 0;
}

// 关闭 GPIO 操作
static int led_close(struct inode *inode_, struct file *file_)
{
    gpio_set_value(LED_IO, 0);                       // 恢复 IO 状态
    gpio_free(LED_IO);                               // 清除绑定
    return 0;
}

// 封包为文件系统操作接口
static struct file_operations led_file_operations = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = led_open,
    .write = led_write,
    .release = led_close,
};

// 初始化设备使用的操作
static int __init led_init(void)
{
    int ret;

    device_id = MKDEV(3242, 3432);   // 随便定义的 设备id
    ret = register_chrdev_region(device_id, COUNT, dev_name);   // 注册设备
    if (ret < 0)
    {
        return ret;
    }

    cdev_init(&led_cdev, &led_file_operations);
    led_cdev.owner = THIS_MODULE;
    ret = cdev_add(&led_cdev, device_id, COUNT);              // 加入到 cdev

    if (ret < 0)
    {
        unregister_chrdev_region(device_id, COUNT);
    }

    led_class = class_create(THIS_MODULE, "led_class");         // 创建类
    if (led_class == NULL)
    {
        cdev_del(&led_cdev);
    }

    device_create(led_class, NULL, device_id, NULL, dev_name);   // 创建设备

    return 0;
}

// 删除设备的操作
static void __exit led_exit(void)
{
    // 刚才怎么创建的就怎么删除
    device_destroy(led_class, device_id);
    class_destroy(led_class);
    unregister_chrdev_region(device_id, COUNT);
    cdev_del(&led_cdev);
    gpio_free(LED_IO);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("WTFPL");
MODULE_AUTHOR("AWOL");
MODULE_DESCRIPTION("light up v853 vision led");
MODULE_VERSION("1.0");

然后编写 Makefile

obj-$(CONFIG_V853_LED) += led.o

Kconfig

config V853_LED
    tristate "Light up V853 Vision LED"
    help
      Light up V853 Vision LED

这里把这个驱动文件保存到了 kernel/linux-4.9/drivers/staging/led/ 文件夹内。作为 staging drivers 编译。你也可以放到其他地方。不过基本操作都是一样的。

image-20220711163814946

然后再编辑下 staging 文件夹的 MakefileKconfig

编辑 kernel/linux-4.9/drivers/staging/Makefile 加入编译选项

obj-$(CONFIG_V853_LED)      += led/

image-20220711164044153

编辑 kernel/linux-4.9/drivers/staging/Kconfig ,增加 Kconfig 引索

source "drivers/staging/led/Kconfig"

image-20220711164135219

最后 make kernel_menuconfig 到下列文件夹内找到 Light up V853 Vision LED 选项

-> Device Drivers                                                                         
  -> Staging drivers
    -> <*> Light up V853 Vision LED

image-20220711164520910

编译打包 mp ,编译的时候可以看到 led.o 被编译了

image-20220711164629944

烧录后便可以看到 V853_LED 设备

root@TinaLinux:/# ls /dev/

image-20220711164730878

这时可以使用 echo 命令点亮 LED,ctrl + c 键退出时 LED 熄灭

root@TinaLinux:/# echo 1 > /dev/V853_LED

image-20220711164834335

我们也可以编写一个小程序,在程序中访问这个设备。比如这里的闪灯Demo

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    char LED_ON = 1, LED_OFF = 0;

    fd = open("/dev/V853_LED", O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open device V853_LED error");
    }
    while (1)
    {
        write(fd, &LED_ON, 1);
        sleep(1);
        write(fd, &LED_OFF, 1);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}