编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序:和pinctrl的交互使用

embedded/2024/11/12 19:32:49/

往期内容

本专栏往期内容:

  1. Pinctrl子系统和其主要结构体引入
  2. Pinctrl子系统pinctrl_desc结构体进一步介绍
  3. Pinctrl子系统中client端设备树相关数据结构介绍和解析
  4. inctrl子系统中Pincontroller构造过程驱动分析:imx_pinctrl_soc_info结构体
  5. Pinctrl子系统中client端使用pinctrl过程的驱动分析
  6. Pinctrl子系统中Pincontroller和client驱动程序的编写
  7. GPIO子系统层次与数据结构详解-CSDN博客
  8. GPIO子系统中Controller驱动源码分析

input子系统专栏:

  1. 专栏地址:input子系统
  2. input角度:I2C触摸屏驱动分析和编写一个简单的I2C驱动程序
    – 末片,有往期内容观看顺序

I2C子系统专栏:

  1. 专栏地址:IIC子系统
  2. 具体芯片的IIC控制器驱动程序分析:i2c-imx.c-CSDN博客
    – 末篇,有往期内容观看顺序

总线和设备树专栏:

  1. 专栏地址:总线和设备树
  2. 设备树与 Linux 内核设备驱动模型的整合-CSDN博客
    – 末篇,有往期内容观看顺序

img

目录

前言

Linux 4.x内核文档

  • Linux-4.9.88\Documentation\gpio📎drivers-on-gpio.txt📎gpio.txt📎gpio-legacy.txt📎sysfs.txt📎board.txt📎consumer.txt📎driver.txt
  • Linux-4.9.88\Documentation\devicetree\bindings\gpio\gpio.txt📎gpio.txt
  • Linux-4.9.88\drivers\gpio\gpio-mxc.c📎gpio-mxc.c
  • Linux-4.9.88\arch\arm\boot\dts\imx6ull.dtsi

本文主要讲解了如何在Linux 4.9.88内核中为虚拟GPIO控制器编写驱动程序,并展示了GPIO和Pinctrl子系统之间的交互方式。假设该虚拟GPIO控制器有4个引脚,然后在设备树中为其设置相应的设备节点和引脚配置。通过代码示例展示了如何实现GPIO的输入、输出功能,包括GPIO的值读取与设置。文介绍了GPIO控制器与Pinctrl的关系以及两者的映射机制,解释了gpio_pin_range和pinctrl_gpio_range结构体的作用,并提供了GPIO子系统中调用Pinctrl的流程示例。

1.编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序

1.1 硬件功能

假设这个虚拟的GPIO Controller有4个引脚:

img

1.2 编写设备树文件

修改arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dts,添加如下代码:

/ {gpio_virt: virtual_gpiocontroller {compatible = "example,virtual_gpio";gpio-controller;#gpio-cells = <2>;ngpios = <4>;};myled {compatible = "XXX,leddrv";led-gpios = <&gpio_virt 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;};
};

1.3 代码编写

代码编写:📎virtual_gpio_driver.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/err.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/mfd/syscon.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_device.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/gpio/driver.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/regmap.h>// 定义一个全局的GPIO芯片结构体指针
static struct gpio_chip *g_virtual_gpio_chip;// 用于模拟GPIO状态的全局变量
static int g_gpio_status = 0;// 设备树匹配结构,匹配支持的设备
static const struct of_device_id virtual_gpio_of_match[] = {{ .compatible = "example,virtual_gpio", },{ },
};// 设置GPIO为输出模式的函数实现
static int virtual_gpio_set_direction_output(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value) {printk("Setting GPIO pin %d as output %s\n", offset, value ? "high" : "low");return 0; // 成功返回0
}// 设置GPIO为输入模式的函数实现
static int virtual_gpio_set_direction_input(struct gpio_chip *chip, unsigned offset) {printk("Setting GPIO pin %d as input\n", offset);return 0; // 成功返回0
}// 获取GPIO当前值的函数实现
static int virtual_gpio_get_value(struct gpio_chip *chip, unsigned offset) {int value = (g_gpio_status & (1 << offset)) ? 1 : 0;printk("Reading GPIO pin %d, current value = %d\n", offset, value);return value; // 返回当前值
}// 设置GPIO值的函数实现
static void virtual_gpio_set_value(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value) {printk("Setting GPIO pin %d to %d\n", offset, value);if (value) {g_gpio_status |= (1 << offset); // 设置为高电平} else {g_gpio_status &= ~(1 << offset); // 设置为低电平}
}// 设备探测函数
static int virtual_gpio_probe(struct platform_device *pdev) {int ret;unsigned int ngpios;printk("Probing virtual GPIO driver: %s, line: %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);// 分配gpio_chip结构体内存g_virtual_gpio_chip = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*g_virtual_gpio_chip), GFP_KERNEL);// 配置gpio_chip的相关信息g_virtual_gpio_chip->label = pdev->name;g_virtual_gpio_chip->direction_output = virtual_gpio_set_direction_output;g_virtual_gpio_chip->direction_input = virtual_gpio_set_direction_input;g_virtual_gpio_chip->get = virtual_gpio_get_value;g_virtual_gpio_chip->set = virtual_gpio_set_value;g_virtual_gpio_chip->parent = &pdev->dev; // 设置父设备g_virtual_gpio_chip->owner = THIS_MODULE; // 设置模块所有者// 读取ngpios属性g_virtual_gpio_chip->base = -1; // 默认未分配基地址ret = of_property_read_u32(pdev->dev.of_node, "ngpios", &ngpios);g_virtual_gpio_chip->ngpio = ngpios; // 设置GPIO数量// 注册gpio_chipret = devm_gpiochip_add_data(&pdev->dev, g_virtual_gpio_chip, NULL);return ret; // 返回结果
}// 设备移除函数
static int virtual_gpio_remove(struct platform_device *pdev) {printk("Removing virtual GPIO driver: %s, line: %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);return 0; // 成功返回0
}// 定义platform_driver
static struct platform_driver virtual_gpio_driver = {.probe = virtual_gpio_probe,.remove = virtual_gpio_remove,.driver = {.name = "example_virtual_gpio",.of_match_table = of_match_ptr(virtual_gpio_of_match),},
};// 初始化函数
static int __init virtual_gpio_init(void) {printk("Initializing virtual GPIO driver: %s, line: %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);return platform_driver_register(&virtual_gpio_driver); // 注册platform_driver
}// 清理函数
static void __exit virtual_gpio_exit(void) {printk("Exiting virtual GPIO driver: %s, line: %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);platform_driver_unregister(&virtual_gpio_driver); // 注销platform_driver
}// 模块初始化和清理宏
module_init(virtual_gpio_init);
module_exit(virtual_gpio_exit);// 模块许可证
MODULE_LICENSE("GPL");

of_property_read_u32:📎of.h

2.GPIO子系统与Pinctrl子系统的交互

Linux-4.9.88\drivers\gpio\gpio-74x164.c📎gpio-74x164.c

2.1 使用GPIO前应该设置Pinctrl

假设使用这个虚拟的GPIO Controller的pinA来控制LED:

img

要使用pinA来控制LED,首先要通过Pinctrl子系统把它设置为GPIO功能,然后才能设置它为输出引脚、设置它的输出值。

所以在设备树文件里,应该添加Pinctrl的内容:

virtual_pincontroller {compatible = "XXX,virtual_pinctrl";myled_pin: myled_pin {functions = "gpio"; // 设置引脚功能为GPIOgroups = "pin0"; // 指定该引脚所在的组configs = <0x11223344>; // 配置该引脚的其他特性};
};gpio_virt: virtual_gpiocontroller {compatible = "XXX,virtual_gpio";gpio-controller; // 标识这是一个GPIO控制器#gpio-cells = <2>; // GPIO单元的数量ngpios = <4>; // GPIO引脚数量
};myled {compatible = "XXX,leddrv"; // LED驱动led-gpios = <&gpio_virt 0 GPIO_ACTIVE_LOW>; // 指定使用的GPIO引脚pinctrl-names = "default"; // 指定Pinctrl的名称pinctrl-0 = <&myled_pin>; // 指定使用的Pinctrl设置
};

许多芯片并不需要在设备树中显式地将引脚配置为GPIO功能。这是因为某些芯片(例如STM32MP157)在内部实现上已经将GPIO功能与引脚复用整合在一起。因此,Pinctrl的使用在某些情况下是虚拟的,它与GPIO密切相关。

2.2 GPIO和Pinctrl的映射关系

2.2.1 示例

img

  • 左边的Pinctrl支持8个引脚,在Pinctrl的内部编号为0~7

  • 图中有2个GPIO控制器

    • GPIO0内部引脚编号为03,假设在GPIO子系统中全局编号为100103
    • GPIO1内部引脚编号为03,假设在GPIO子系统中全局编号为104107
  • 假设我们要使用pin1_1,应该这样做:

    • 根据GPIO1的内部编号1,可以换算为Pinctrl子系统中的编号5
    • 使用Pinctrl的函数,把第5个引脚配置为GPIO功能

2.2.2 数据结构

gpio_pin_range 结构体定义了 GPIO 控制器控制的引脚范围和对应的 pinctrl 设备,允许 GPIO 控制器管理一个 pinctrl 设备的引脚范围。

/** * struct gpio_pin_range - GPIO 控制器所控制的引脚范围* @node: 连接到范围列表的链表节点,用于内部维护 pin range 的集合。* @pctldev: 指向管理相应引脚的 pinctrl 设备(pinctrl_dev)的指针,*           该设备将处理引脚复用、方向控制等功能。* @range: 由 GPIO 控制器控制的引脚的实际范围,包含引脚的起始位置、数量等信息。*/
struct gpio_pin_range {struct list_head node;            // 列表头,维护 GPIO 范围的链表结构struct pinctrl_dev *pctldev;      // 与 GPIO 控制器关联的 pinctrl 设备struct pinctrl_gpio_range range;  // 由 GPIO 控制器控制的引脚范围信息
};
  • node:这是一个链表节点,通常用于将多个 gpio_pin_range 链接成一个链表,以便管理和迭代多个引脚范围。
  • pctldev:指向 pinctrl 设备的指针,pinctrl 设备负责管理 GPIO 引脚的复用和配置。
  • range:定义了 GPIO 控制器管理的实际引脚范围,包含引脚基地址和数量等信息。

pinctrl_gpio_range 结构体描述了由 GPIO 控制器所处理的 GPIO 引脚范围,为每个 GPIO 控制器提供一个编号空间的子范围。

/*** struct pinctrl_gpio_range - 每个 GPIO 控制器提供的 GPIO 编号范围* @node: 用于内部使用的链表节点,连接到范围列表中* @name: 此 GPIO 控制器范围的名称,用于标识 GPIO 控制器* @id: 该范围的芯片 ID,用于在范围内区分 GPIO 控制器* @base: GPIO 范围的基地址偏移,用于计算 GPIO 引脚编号* @pin_base: 如果 pins 数组为 NULL,此字段表示 GPIO 引脚范围的基引脚编号* @pins: 指向引脚枚举数组的指针,该数组列出 GPIO 范围中的所有引脚* @npins: GPIO 范围内的引脚数量,包含基引脚编号* @gc: 可选指针,指向 gpio_chip 结构体,该结构体用于 GPIO 控制器的基本信息*/
struct pinctrl_gpio_range {struct list_head node;       // 内部链表节点,连接到 GPIO 范围列表const char *name;            // 范围名称,标识 GPIO 控制器unsigned int id;             // GPIO 范围 ID,唯一标识该范围unsigned int base;           // GPIO 编号范围的基地址偏移,用于计算引脚编号unsigned int pin_base;       // 引脚范围的基引脚编号,如果 pins 数组为 NULL 使用此基数unsigned const *pins;        // 引脚数组的指针,列出该 GPIO 范围内的所有引脚unsigned int npins;          // GPIO 范围中的引脚数量,包括基引脚编号struct gpio_chip *gc;        // 可选的 gpio_chip 指针,用于指向 GPIO 控制器信息
};
  • node:内部链表节点,用于管理 pinctrl_gpio_range 的链表结构。
  • name:范围的名称,通常是 GPIO 控制器的名称,用于标识该范围。
  • id:范围 ID,唯一标识该 GPIO 范围,用于在控制器中区分不同的 GPIO 范围。
  • base:GPIO 编号范围的基地址偏移量,通过该偏移量确定 GPIO 控制器管理的具体引脚编号。
  • pin_base:基引脚编号,表示该 GPIO 范围的起始引脚,通常在 pins 数组为空时使用。
  • pins:指向引脚编号数组的指针,列出该 GPIO 范围内的所有 GPIO 引脚。
  • npins:范围内的引脚数量,包括基引脚编号。
  • gc:可选的指向 gpio_chip 结构体的指针,用于与 GPIO 控制器相关联,提供 GPIO 控制器的基本信息。

2.3 GPIO调用Pinctrl的过程

GPIO子系统中的request函数,用来申请某个GPIO引脚,

它会导致Pinctrl子系统中的这2个函数之一被调用:pmxops->gpio_request_enablepmxops->request

调用关系如下:

gpiod_get //获取GPIO描述符的主函数,通常用于申请和配置GPIO引脚。gpiod_get_index desc = of_find_gpio(dev, con_id, idx, &lookupflags);//查找设备树中指定的GPIO。ret = gpiod_request(desc, con_id ? con_id : devname); //用于确认请求并进行最终设置。ret = gpiod_request_commit(desc, label); //如果GPIO芯片结构体中的request指针非空,它会调用芯片的request函数。if (chip->request) {ret = chip->request(chip, offset);}

编写GPIO驱动程序时,所设置chip->request函数,一般直接调用gpiochip_generic_request,它导致Pinctrl把引脚复用为GPIO功能。

gpiochip_generic_request(struct gpio_chip *chip, unsigned offset)pinctrl_request_gpio(chip->gpiodev->base + offset) //该函数负责将引脚配置为GPIO功能ret = pinctrl_get_device_gpio_range(gpio, &pctldev, &range); // gpio是引脚的全局编号/* Convert to the pin controllers number space */pin = gpio_to_pin(range, gpio);ret = pinmux_request_gpio(pctldev, range, pin, gpio);ret = pin_request(pctldev, pin, owner, range);

Pinctrl子系统中的pin_request函数就会把引脚配置为GPIO功能:

static int pin_request(struct pinctrl_dev *pctldev,int pin, const char *owner,struct pinctrl_gpio_range *gpio_range) {const struct pinmux_ops *ops = pctldev->desc->pmxops;// 检查是否有用于请求引脚的操作if (gpio_range && ops->gpio_request_enable) {// 请求并启用单个GPIO引脚status = ops->gpio_request_enable(pctldev, gpio_range, pin);} else if (ops->request) {// 如果有通用请求函数,则调用status = ops->request(pctldev, pin);} else {// 默认情况下,不做任何操作status = 0;}return status; // 返回请求状态
}

2.4 编程_GPIO使用Pinctrl

2.4.1 做什么

如果不想在使用GPIO引脚时,在设备树中设置Pinctrl信息,

如果想让GPIO和Pinctrl之间建立联系,

需要做这些事情:

  1. 表明GPIO和Pinctrl间的联系

在GPIO设备树中使用gpio-ranges来描述它们之间的联系:

  • GPIO系统中有引脚号
  • Pinctrl子系统中也有自己的引脚号
  • 2个号码要建立映射关系
  • 在GPIO设备树中使用如下代码建立映射关系
// 当前GPIO控制器的0号引脚, 对应pinctrlA中的128号引脚, 数量为12
gpio-ranges = <&pinctrlA 0 128 12>; 
  1. 解析这些联系

在GPIO驱动程序中,解析跟Pinctrl之间的联系:处理gpio-ranges:

  • 这不需要我们自己写代码
  • 注册gpio_chip时会自动调用
int gpiochip_add_data(struct gpio_chip *chip, void *data)status = of_gpiochip_add(chip);status = of_gpiochip_add_pin_range(chip);of_gpiochip_add_pin_rangefor (;; index++) {ret = of_parse_phandle_with_fixed_args(np, "gpio-ranges", 3,index, &pinspec);pctldev = of_pinctrl_get(pinspec.np); // 根据gpio-ranges的第1个参数找到pctldev// 增加映射关系	/* npins != 0: linear range */ret = gpiochip_add_pin_range(chip,pinctrl_dev_get_devname(pctldev),pinspec.args[0],pinspec.args[1],pinspec.args[2]);
  1. 编程
  • 在GPIO驱动程序中,提供gpio_chip->request
  • 在Pinctrl驱动程序中,提供pmxops->gpio_request_enablepmxops->request

2.4.2 编程

  1. GPIO控制器编程

在编写GPIO驱动程序时,需要关注以下几个方面:

  1. 设置请求函数

    • 确保在GPIO芯片结构体中正确设置chip->request指针,通常指向gpiochip_generic_request。这样可以确保引脚被正确复用为GPIO功能。
  2. 理解设备树

    • 如果GPIO引脚来自设备树,确保在设备树中正确描述GPIO的相关属性和配置,以便gpiod_get和相关函数能够正确查找和请求GPIO。
  3. 错误处理

    • 在每个调用中检查返回值,确保处理潜在的错误,避免因引脚请求失败而导致驱动不稳定。
  4. 功能分离

    • 在实现请求和释放引脚时,确保保持代码的清晰和可读,尽量将复杂逻辑分离到辅助函数中,以便于维护。

gpio_chip中提供request函数:

c chip->request = gpiochip_generic_request;

📎virtual_gpio_driver.c
(参考)>>
📎virtual_gpio_driver0.c

  1. Pinctrl编程
static const struct pinmux_ops virtual_pmx_ops = {.get_functions_count = virtual_pmx_get_funcs_count,.get_function_name = virtual_pmx_get_func_name,.get_function_groups = virtual_pmx_get_groups,.set_mux = virtual_pmx_set,.gpio_request_enable = virtual_pmx_gpio_request_enable,
};

📎virtual_pinctrl_driver.c📎core.h

  1. led:

📎virtual_pinctrl_client.c(参考) 》 📎leddrv.c

📎ledtest.c

2.4.3 注意

IMX6ULL使用GPIO时必须设置Pinctrl,如果不设置,只有那些默认就是GPIO功能的引脚可以正常使用。

原因:

  • GPIO控制器的设备树中,没有gpio-ranges
  • Pinctrl驱动中并没有提供pmxops->gpio_request_enablepmxops->request
  • gpio_chip结构体中direction_inputdirection_output,并没有配置引脚为GPIO功能

3.GPIO子系统的sysfs接口

  • Linux-4.9.88\drivers\gpio\gpiolib-sysfs.c📎gpiolib-sysfs.c

3.1 驱动程序

📎gpiolib-sysfs.c

3.2 常用的sysfs文件

3.2.1 有哪些GPIO控制器

/sys/bus/gpio/devices目录下,列出了所有的GPIO控制器,如下表示有11个GPIO控制器:

/sys/bus/gpio/devices/gpiochip0
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip1
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip2
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip3
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip4
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip5
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip6
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip7
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip8
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip9
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip10

3.2.2 每个GPIO控制器的详细信息

/sys/class/gpio/gpiochipXXX下,有这些信息:

/sys/class/gpio/gpiochip508]# ls -1
base     // 这个GPIO控制器的GPIO编号
device
label    // 名字
ngpio    // 引脚个数
power
subsystem
uevent

3.2.3 查看GPIO使用情况

cat /sys/kernel/debug/gpio

3.2.4 通过sysfs使用GPIO

如果只是简单的引脚控制(比如输出、查询输入值),可以不编写驱动程序。

但是涉及中断的话,就需要编写驱动程序了。

1. 确定GPIO编号

查看每个/sys/class/gpio/gpiochipXXX目录下的label,确定是你要用的GPIO控制器,也称为GPIO Bank。

根据它名字gpiochipXXX,就可以知道基值是XXX。

基值加上引脚offset,就是这个引脚的编号。

2. 导出/设置方向/读写值

举例:

echo 509 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio509/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio509/value
echo 509 > /sys/class/gpio/unexportecho 509 > /sys/class/gpio/export
echo in > /sys/class/gpio/gpio509/direction
cat /sys/class/gpio/gpio509/value
echo 509 > /sys/class/gpio/unexport

http://www.ppmy.cn/embedded/136434.html

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