Kernel 中的 GPIO 定义和控制
最近要深一步用到GPIO口控制，写个博客记录下Kernel层的GPIO学习过程！
一、概念
每个GPIO端口包含8个管脚，如PA端口是PA0～PA7,而且GPIO口至少有两个寄存器，即"通用IO控制寄存器"与"通用IO数据寄存器"。数据寄存器的各位都直接引到芯片外部，而对这种寄存器中每一位的作用，即每一位的信号流通方向，则可以通过控制寄存器中对应位独立地加以设置。比如，可以设置某个引脚的属性为输入、输出或其他特殊功能。
常用的应该是：高阻输入、推挽输出、开漏输出。
通俗理解为 ：
高阻输入—— 保持高阻抗状态，彻底断开输出，避免干扰，对总线状态不起作用，此时总线可由其他器件占用。
推挽输出——可以输出高,低电平,连接数字器件。
开漏输出——输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行。
软件上就是通过设置IO口的模式，然后控制IO的上拉下拉，写入对应寄存器，通过寄存器控制电路：
上拉寄存器是控制对应端口上拉使能(DE)的。当对应位为0时，设置对应引脚上拉使能，为1时，禁止对应引脚上拉使能。如果上拉寄存器使能，无论引脚功能寄存器如何设置（输入，输出，数据，中断等），对应引脚输出高电平。
上拉是一个电阻接到一个电压，其实就是增强IO的驱动能力，IO口是高电平。
下拉是一个电阻接到地，保证IO口是低电平。
二、kernel层调用接口实现
GPIO操作，在Kernel 2.6.32版本以上提供了gpio口管理的库文件 /kernel/drivers/gpio/gpiolib.c，里面就是我们需要的接口函数实现！几个主要的方法：
申请一个pin脚作为gpio口，命名为 * label,如果经过判断空闲的 申请成功了做一些初始的bit位设置。
int gpio_request(unsigned gpio, const char *label)
{
struct gpio_desc *desc;
struct gpio_chip *chip;
int status = -EINVAL;
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);
...
if (test_and_set_bit(FLAG_REQUESTED, &desc->flags) == 0)
...
}释放这个gpio口，还原bit。
void gpio_free(unsigned gpio)
{
unsigned long flags;
struct gpio_desc *desc;
struct gpio_chip *chip;
might_sleep();
...
clear_bit(FLAG_ACTIVE_LOW, &desc->flags);
clear_bit(FLAG_REQUESTED, &desc->flags);
clear_bit(FLAG_OPEN_DRAIN, &desc->flags);
clear_bit(FLAG_OPEN_SOURCE, &desc->flags);
...
}int gpio_direction_input(unsigned gpio)
{
unsigned long flags;
struct gpio_chip *chip;
struct gpio_desc *desc = &gpio_desc[gpio];
int status = -EINVAL;
spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);
if (!gpio_is_valid(gpio))
goto fail;
chip = desc->chip;
...
status = chip->direction_input(chip, gpio);
...
}其中的 chip->direction_input(chip, gpio)为实现！
设置gpio口为输出模式 value为初始值 0为高电平/1为低电平：
int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value)
{
unsigned long flags;
struct gpio_chip *chip;
struct gpio_desc *desc = &gpio_desc[gpio];
int status = -EINVAL;
/* Open drain pin should not be driven to 1 */
if (value && test_bit(FLAG_OPEN_DRAIN, &desc->flags))
return gpio_direction_input(gpio);
...
status = chip->direction_output(chip, gpio, value);
...
}其中的chip->direction_output(chip, gpio, value)为实现！
设置gpio口的值：
void __gpio_set_value(unsigned gpio, int value)
{
struct gpio_chip *chip;
chip = gpio_to_chip(gpio);
WARN_ON(chip->can_sleep);
trace_gpio_value(gpio, 0, value);
if (test_bit(FLAG_OPEN_DRAIN, &gpio_desc[gpio].flags))
_gpio_set_open_drain_value(gpio, chip, value);
else if (test_bit(FLAG_OPEN_SOURCE, &gpio_desc[gpio].flags))
_gpio_set_open_source_value(gpio, chip, value);
else
chip->set(chip, gpio - chip->base, value);
}获取gpio口的值：
int __gpio_get_value(unsigned gpio)
{
struct gpio_chip *chip;
int value;
chip = gpio_to_chip(gpio);
WARN_ON(chip->can_sleep);
value = chip->get ? chip->get(chip, gpio - chip->base) : 0;
trace_gpio_value(gpio, 1, value);
return value;
} 对于有些挂载在I2C，SPI总线上的扩展GPIO，读写操作可能会导致睡眠，因此不能在中断函数中
使用。使用下面的函数以区别于正常的GPIO
int gpio_get_value_cansleep(unsigned gpio);//读GPIO
void gpio_set_value_cansleep(unsigned gpio, int value);//写GPIO三、gpiolib.c关联芯片接口
以上为gpiolib.c的基本方法都是向下调用到对应芯片的gpio实现！
所以每个方法里面的实现都是通过 struct gpio_chip*chip 这个指针调用结构体中关联的相关接口！
下面是gplolib怎么关联到特定的芯片（mach-at91）的几个主要方法：
mach-at91的/kernel/arch/arm/mach-at91/gpio.c中的
static struct at91_gpio_chip gpio_chip[] = {
AT91_GPIO_CHIP("A", 0x00 + PIN_BASE, 32),
AT91_GPIO_CHIP("B", 0x20 + PIN_BASE, 32),
AT91_GPIO_CHIP("C", 0x40 + PIN_BASE, 32),
AT91_GPIO_CHIP("D", 0x60 + PIN_BASE, 32),
AT91_GPIO_CHIP("E", 0x80 + PIN_BASE, 32),
};
gpiolib.c中的接口与mach-at91函数接口对应关系如下：
#define AT91_GPIO_CHIP(name, base_gpio, nr_gpio) \
{ \
.chip = { \
.label = name, \
.direction_input = at91_gpiolib_direction_input, \
.direction_output = at91_gpiolib_direction_output, \
.get = at91_gpiolib_get, \
.set = at91_gpiolib_set, \
.dbg_show = at91_gpiolib_dbg_show, \
.base = base_gpio, \
.ngpio = nr_gpio, \
}, \
}从上面可以看到 在gpiolib.c中的方法调用芯片（mach-at91）的映射关系：
比如：gpio_direction_output() 设置gpio口为输出模式中最终的实现调用chip->direction_output(chip, gpio, value)。
从上面可以看出来，也就是调用mach-at91的at91_gpiolib_direction_output()!
其它的类似。
gpiolib.c中的
int gpiochip_add(struct gpio_chip *chip)
{
unsigned long flags;
int status = 0;
unsigned id;
int base = chip->base;
if ((!gpio_is_valid(base) || !gpio_is_valid(base + chip->ngpio - 1))
&& base >= 0) {
status = -EINVAL;
goto fail;
}
spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);
....
}添加到结构体：
struct gpio_desc {
struct gpio_chip *chip;
unsigned long flags;
/* flag symbols are bit numbers */
#define FLAG_REQUESTED 0
#define FLAG_IS_OUT 1
#define FLAG_RESERVED 2
...
}这就保存到了 chip 指针。
这一部分在Kernel初始化的时候调用执行！
四、芯片（mach-at91）gpio口的接口
由gpiolib.c根据映射调用对应接口
static int at91_gpiolib_direction_output(struct gpio_chip *chip,
unsigned offset, int val)
{
struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);
void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;
unsigned mask = 1 << offset;
__raw_writel(mask, pio + (val ? PIO_SODR : PIO_CODR));
__raw_writel(mask, pio + PIO_OER);
return 0;
}定义为输出模式，初始设置val 上拉还是下拉 ， 写入数据寄存器。
#define PIO_SODR 0x30 /* Set Output Data Register */
#define PIO_CODR 0x34 /* Clear Output Data Register */
#define PIO_ODR 0x14 /* Output Disable Register */
#define PIO_PDSR 0x3c /* Pin Data Status Register */
同样设置为输入：
static int at91_gpiolib_direction_input(struct gpio_chip *chip,
unsigned offset)
{
struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);
void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;
unsigned mask = 1 << offset;
__raw_writel(mask, pio + PIO_ODR);
return 0;
}static void at91_gpiolib_set(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int val)
{
struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);
void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;
unsigned mask = 1 << offset;
__raw_writel(mask, pio + (val ? PIO_SODR : PIO_CODR));
}读寄存器获取该GPIO口的值：
static int at91_gpiolib_get(struct gpio_chip *chip, unsigned offset)
{
struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);
void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;
unsigned mask = 1 << offset;
u32 pdsr;
pdsr = __raw_readl(pio + PIO_PDSR);
return (pdsr & mask) != 0;
}大体流程就这样了。
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