GPIO子系统

GPIO子系统是 Linux 内核中用于管理和控制通用输入/输出引脚的核心框架，它为开发者提供了统一的接口来操作硬件上的 GPIO 引脚，使用前需要用pinctrl将该引脚的复用配置成GPIO

驱动架构

GPIO子系统的驱动同样遵循着“主机驱动和设备驱动分离”和“驱动分层”的思想，分为主机驱动层、核心层、设备驱动层

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主机驱动层

主机（GPIO控制器）驱动一般由原厂提供，且也作为设备树中的一个节点

SoC内部对于GPIO一般都有专门的控制器外设，它直接位于SoC的内存空间，通过配置该外设的寄存器，从而控制某个具体的GPIO

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/{
	soc{
        aips1{
        	gpio1: gpio@0209c000 {
				compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio";
				reg = <0x0209c000 0x4000>;
				interrupts = <GIC_SPI 66 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
					     <GIC_SPI 67 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
				gpio-controller;
				#gpio-cells = <2>;
				interrupt-controller;
				#interrupt-cells = <2>;
			};
        }
	}
}

gpio_chip

gpio_chip用于统一抽象GPIO控制器的操作接口，让上层和 gpiolib不需要关心底层寄存器实现，硬件上SoC中每个GPIO控制器，在驱动中都需要创建一个gpio_chip实例进行注册

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struct gpio_chip {
	const char		*label;         // 控制器名称
	struct device		*parent;        // 对应 platform/device
    // 在驱动中申请/释放 GPIO 的回调
	int			(*request)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset); 
	void			(*free)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    //设置某个 GPIO 为输入的函数
	int			(*direction_input)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    //设置 GPIO 为输出并写初值
	int			(*direction_output)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
    // 读取 GPIO 电平
	int			(*get)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    // 写 GPIO 电平
	void			(*set)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
    // 将某GPIO映射成中断号
    int			(*to_irq)(struct gpio_chip *gc, unsigned int offset);
	int			ngpio;          // 该控制器管理的 GPIO 数量
	unsigned long		base;           // 起始全局编号（legacy 用）
	struct module		*owner;         // 所属模块
    ...
};

调用链：

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gpiod_set_value(desc, 1)
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gpiod_set_raw_value()
    ↓
chip = desc->chip;
chip->set(chip, offset, 1)   ← 调用具体 SoC 驱动实现
    ↓
imx_gpio_set() / stm32_gpio_set() / ...
    ↓
写硬件寄存器（GPIOx_ODR）

核心层

GPIO核心层的名字叫gpiolib，作用：

  • 向下为gpio chip driver提供注册 struct gpio_chip 的接口：gpiochip_xxx()
  • 向上为gpio consumer driver提供引用 gpio 的接口：gpiod_xxx()
  • 实现字符设备的功能
  • 注册 sysfs
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一个 GPIO 控制器驱动注册一个 gpio_chip
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gpiolib 会为其创建一个 gpio_device（对应一个 /dev/gpiochipX）
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gpio_device 内部维护一个 gpio_desc 数组（每个引脚一个 desc）
      ↓
驱动或子系统通过 gpio_desc 来操作具体引脚

内核对于GPIO的操作有2套API：

  • gpio_*：用GPIO编号（int变量）描述一个GPIO（正逐步移除）
  • gpiod_*：用struct gpio_desc描述一个GPIO
功能 旧版 API (gpio_*) 新版 API (gpiod_*)
申请 GPIO gpio_request() gpiod_get()
释放 GPIO gpio_free() gpiod_put()
设置方向 gpio_direction_input() gpiod_direction_input()
读写电平 gpio_get/set_value() gpiod_get/set_value()
中断绑定 gpio_to_irq() gpiod_to_irq()
依赖头文件 <linux/gpio.h> <linux/gpio/consumer.h>

设备树

和设备树相关的API不仅仅存在于设备树子系统（of.h），实际上每个驱动子系统一般都会有自己独立的属性，如果把所有驱动跟设备树相关的属性都放到同一个文件，那么就会太庞大了。所以Linux内核将不同子系统特定属性的读写，放到对应的核心层来实现。比如一些属性只有GPIO子系统才有，那对于这些属性的读写，就由GPIO子系统的核心层来实现：of_gpio.h，gpiolib_of.h，consumer.h…好几个文件都有跟设备树相关的API

常见API：

函数 作用 文件
of_get_named_gpio(struct device_node *np, const char *propname, int index) 从节点的指定属性中解析出第 index 个 GPIO drivers/gpio/gpiolib-of.c
of_get_named_gpio_flags(struct device_node *np, const char *propname, int index, enum of_gpio_flags *flags) 同上，但同时返回极性标志（高低有效） 同上
of_gpio_named_count(struct device_node *np, const char *propname) 返回属性中 GPIO 的数量 同上

申请单个GPIO

旧版API：

  • 需要手动指定设备树中的属性名以及pin的index
    • index指的是，一个属性可能同时包含多个pin，比如下面的例子，index就是指这里的索引
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gpios = <0
         &gpio1 1 2
         0
         &gpio2 3 4>;
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// 从设备树中获取GPIO编号
led_device->gpio_index = of_get_named_gpio(led_device->device_tree_node, "led-gpio", 0);
gpio_request(led_device->gpio_index, "led0");

新版API

  • 方式1：设备树中的属性名必须叫==xxx-gpios==，xxx对应cond_id形参，代表该引脚的的功能
    • 如果 con_id 为 NULL，直接查找 gpios 属性
    • 如果 con_id 非 NULL，查找 "<con_id>-gpios" 属性（如 "led-gpios"）
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struct gpio_desc *gpiod_get(struct device *dev, const char *con_id, enum gpiod_flags flags);
  • 方式2：同样需要手动指定设备树中的属性名以及pin的index，但是返回的是gpio_desc
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struct gpio_desc *gpiod_get_from_of_node(
    struct device_node *node,
    const char *propname, // 自定义属性名（如 "my-gpios"）
    int index,
    enum gpiod_flags flags,
    const char *label
);

gpio_desc

gpio_desc 是对单个引脚的抽象。 旧内核中的GPIO 编号（int 型变量）描述单个引脚

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struct gpio_desc {
	struct gpio_device	*gdev;		// 指向所属 gpio_device
	unsigned long		flags;		// 状态标志位 (input/output/active-low等)
	struct device		*dev;		// sysfs 节点对应的设备
	const char		*label;		// 用户自定义标签
	struct gpio_chip	*chip;		// 对应的 gpio_chip
	struct gpio_irq_chip	*irqchip;	// 关联的中断控制器（若支持）
    ...
};

gpio_device

gpio_device 是 Linux 内核中用于管理单个 GPIO 控制器的核心对象，通过集成字符设备驱动框架，将对于GPIO Chip的控制能力暴露给应用层，每个控制器都对应一个 /dev/gpiochipN 设备节点

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struct gpio_device {
	struct device		dev;            // 与设备模型集成的 device 对象
	struct module		*owner;         // 所属模块
	struct gpio_chip	*chip;          // 指向对应的 gpio_chip
	struct cdev		chardev;        // 对应 /dev/gpiochipN 的字符设备
	struct device		*mockdev;       // sysfs 模拟设备

	struct list_head	list;           // 链入全局 gpio_devices 列表
	unsigned int		id;             // 控制器编号（gpiochipN 中的 N）
	const char		*label;         // 控制器标签，如 “gpio-0”

	unsigned int		base;           // 起始编号（旧接口用）
	unsigned int		ngpio;          // 该控制器管理的引脚数量
	struct gpio_desc	*descs;         // 引脚描述符数组（ngpio 个）

	/* 用于字符设备接口 */
	struct mutex		mutex;          // 互斥锁
	struct device_node	*of_node;       // 对应的设备树节点
	struct list_head	irq_list;       // 对应中断列表
    ...
};

设备驱动层

设备驱动层要用在设备树中加入GPIO属性，举个例子

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beep {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <1>;
    compatible = "beep";
    status = "okay";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_beep>;
    beep-gpio = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};

与GPIO子系统相关的属性为beep-gpio = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_LOW>;一般遵循以下格式：

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gpio-name = <&gpio_controller pin_number flags>
// flags: GPIO_ACTIVE_HIGH/LOW

调试

sysfs

ls /sys/class/gpio可以看本机的gpio控制器的信息，后面的数字代表该控制器的基号

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export       gpiochip128  gpiochip64   unexport
gpiochip0    gpiochip32   gpiochip96

gpiochipX目录的结构如下：

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/sys/devices/platform/soc/2000000.aipsbus/20a4000.gpio/gpio/gpiochip64$:ls
base       device     label      ngpio      power      subsystem  uevent
  • ngpio：该控制器所含的引脚数量
  • base：该控制器的基号：所管理的第一个GPIO引脚在全局GPIO编号空间中的起始偏移量

libgpiod

libgpiod 是一个用 C 语言编写的用于访问 gpio chardev 的库，同时里面包含了一些访问 gpio 的命令行工具，推荐优先采用这个库来访问gpio

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# 列出GPIO芯片
gpiodetect

# 查看chip的线
gpioinfo

# 设置输出高电平
gpioset gpiochip0 17=1

# 读取输入电平
gpioget gpiochip0 17

应用层控制GPIO

应用层控制GPIO有以下几种方式

方式 特点 适用场景
/sys/class/gpio 接口（传统 sysfs） 最常见、最简单；但已废弃 旧版系统、调试用
对gpiolib创建的字符设备进行IO操作 官方推荐；基于 character device 新系统（内核 ≥ 4.8）
通过驱动导出的接口（ioctl、sysfs 属性、设备文件） 自定义控制方式 特殊硬件驱动
通过 /dev/mem 直接映射寄存器 不推荐；需 root 权限 硬件调试、无驱动情况
通过LED等其他子系统间接控制 间接控制（通过更高层框架） 控制灯、按键等

面试题

1.谈一下你对GPIO子系统的理解

  • 控制 GPIO 引脚的输入、输出
  • 注册和管理中断
  • 提供用户态访问接口
  • 支持设备树描述 GPIO
  • 为上层驱动屏蔽底层硬件差异

2.内核驱动框架是如何描述一个GPIO的属性和操作方法

  • gpio_desc，gpio_chip

参考链接