Linux pinctrl 和 gpio 子系统实验-基于正点原子IMX6ULL开发板

之前几个led驱动本质都是配置 LED 灯所使用的 GPIO 寄存器，驱动开发方式和裸机基本没啥区别。Linux 内核提供了 pinctrl 和 gpio 子系统用于GPIO 驱动。本实验我们就来学习一下如何借助 pinctrl 和 gpio 子系统来简化 GPIO 驱动开发。

1 pinctrl 子系统
1.1 pinctrl 子系统简介

以前的实验都是先设置某个 PIN 的复用功能、速度、上下拉等，然后再设置 PIN 所对应的 GPIO 。其实对于大多数的 32 位 SOC 而言，引脚的设置基本都是这两方面，因此 Linux 内核针对 PIN 的配置推出了 pinctrl 子系统，对于 GPIO 的配置推出了 gpio 子系统 。

大多数 SOC 的 pin 都是支持复用的，我们不仅要配置pin的复用功能，还需要配置 pin 的电气特性，比如上/下拉、速度、驱动能力等等。传统的配置 pin 的方式就是直接操作相应的寄存器，但是这种配置方式比较繁琐、而且容易出问题(比如 pin 功能冲突)。pinctrl 子系统就是为了解决这个问题而引入的， pinctrl 子系统主要工作内容如下：

①、获取设备树中 pin 信息。

②、根据获取到的 pin 信息来设置 pin 的复用功能

③、根据获取到的 pin 信息来设置 pin 的电气特性，比如上/下拉、速度、驱动能力等。

我们使用者只需要在设备树里面设置好某个 pin 的相关属性即可，其他的初始化工作均由 pinctrl 子系统来完成，pinctrl 子系统源码目录为 drivers/pinctrl。

1.2 I.MX6ULL 的 pinctrl 子系统驱动
内容较多，参考正点原子《I.MX6U 嵌入式 Linux 驱动开发指南 V1.6》第45.1.2章节

1.3 设备树中添加 pinctrl 节点模板
 我们虚拟一个名为“test”的设备，test 使用了 GPIO1_IO00 这个 PIN 的 GPIO 功能，pinctrl 节点添加过程如下：

1、创建对应的节点

同一个外设的 PIN 都放到一个节点里面，打开 imx6ull-alientek-emmc.dts ，在 iomuxc 节点中的“imx6ul-evk ”子节点下添加“ pinctrl_test ”节点，注意！节点前缀一定要为“ pinctrl_ ”。添加完成以后如下所示：

 

 pinctrl_test: testgrp {
 /* 具体的 PIN 信息 */
 };

2、添加“fsl,pins”属性

设备树是通过属性来保存信息的，因此我们需要添加一个属性，属性名字一定要为“ fsl,pins ”， 因为对于 I.MX 系列 SOC 而言， pinctrl 驱动程序是通过读取“ fsl,pins ”属性值来获取 PIN 的配置信息完成以后如下所示：

pinctrl_test: testgrp {

fsl,pins = <
/* 设备所使用的 PIN 配置信息 */
 >;
};

3 、在“ fsl,pins ”属性中添加 PIN 配置信息

最后在“ fsl,pins ”属性中添加具体的 PIN 配置信息，完成以后如下所示：
 

pinctrl_test: testgrp {

fsl,pins = <
MX6UL_PAD_GPIO1_IO00__GPIO1_IO00 config /*config 是具体设置值*/
 >;
};

2 gpio 子系统
2.1 gpio 子系统简介

pinctrl 子系统重点是设置 PIN( 有的 SOC 叫做 PAD) 的复用和电气属性，如果 pinctrl 子系统将一个 PIN 复用为 GPIO 的话，那么接下来就要用到 gpio 子系统了。 gpio子系统顾名思义，就是用于初始化 GPIO 并且提供相应的 API 函数，比如设置 GPIO 为输入输出，读取 GPIO 的值等 。
 

gpio 子系统的主要目的就是方便驱动开发者使用 gpio ，驱动开发者 在设备树中添加 gpio 相关信息，然后就可以在驱动程序中使用 gpio 子系统提供的 API函数来操作 GPIO ， Linux 内核向驱动开发者屏蔽掉了 GPIO 的设置过程，极大的方便了驱动开发者使用 GPIO。

2.2 I.MX6ULL 的 gpio 子系统驱动

内容较多，参考正点原子《I.MX6U 嵌入式 Linux 驱动开发指南 V1.6》第45.2.2章节

 

2.3 gpio 子系统 API 函数
常用的API函数如下所示

1、int gpio_request(unsigned gpio, const char *label)

2、void gpio_free(unsigned gpio)

3、int gpio_direction_input(unsigned gpio)

4、int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value)​​​​​​​

5、#define gpio_get_value __gpio_get_value
int __gpio_get_value(unsigned gpio)

6、#define gpio_set_value __gpio_set_value
void __gpio_set_value(unsigned gpio, int value)

2.4 设备树中添加 gpio 节点模板
1.3中向“test”设备添加了pinctrl节点，现在 创建 test 设备的 GPIO 节点。​​​​​​​

1 、创建 test 设备节点

在根节点“/”下创建 test 设备子节点，如下所示：

test {
 /* 节点内容 */
 };

2、添加 pinctrl 信息​​​​​​​

1.3 中我们创建了 pinctrl_test 节点，此节点描述了 test 设备所使用的 GPIO1_IO00 这个 PIN 的信息，我们要将这节点添加到 test 设备节点中，如下所示：

 test {
 pinctrl-names = "default";
 pinctrl-0 = <&pinctrl_test>;
 /* 其他节点内容 */
 };

第 2 行，添加 pinctrl-names 属性，此属性描述 pinctrl 名字为“ default ”。

第 3 行，添加 pinctrl-0 节点，此节点引用 45.1.3 中创建的 pinctrl_test 节点，表示 tset 设备

的所使用的 PIN 信息保存在 pinctrl_test 节点中。

3 、添加 GPIO 属性信息
 

我们最后需要在 test 节点中添加 GPIO 属性信息，表明 test 所使用的 GPIO 是哪个引脚，添加完成以后如下所示：​​​​​​​

 test {
 pinctrl-names = "default";
 pinctrl-0 = <&pinctrl_test>;
 gpio = <&gpio1 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;
 };

第 4 行， test 设备所使用的 gpio 。

2.5 与 gpio 相关的 OF 函数

2.4 中，我们定义了一个名为“ gpio ”的属性， gpio 属性描述了 test 这个设 备所使用的 GPIO 。在驱动程序中需要读取 gpio 属性内容， Linux 内核提供了几个与 GPIO 有关 的 OF 函数，常用的几个 OF 函数如下所示：

1、int of_gpio_named_count(struct device_node *np, const char *propname)

//获取设备树某个属性里面定义了几个 GPIO 信息

2、int of_gpio_count(struct device_node *np)

//获取“gpios”这个属性的 GPIO 数量

3、int of_get_named_gpio(struct device_node *np, const char *propname, int index)

//此函数获取 GPIO 编号

3 硬件原理图分析

4 实验程序编写

本次实验我们通过设备树向 dtsled.c 文件传递相应的寄存器物理地址，然后在驱动文件中配置寄存器。本章实验我们使用 pinctrl 和 gpio 子系统来完成 LED 灯驱动。
4.1 修改设备树文件

打开 imx6ull-alientek-emmc.dts。
1、添加 pinctrl 节点
在 iomuxc 节点的 imx6ul-evk 子节点下创建一个名为“pinctrl_gpioled”的子节点

		pinctrl_gpioled: ledprp{
			fsl,pins = <
				MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0x10b0
			>;
		};

第 3 行，将 GPIO1_IO03 这个 PIN 复用为 GPIO1_IO03，电气属性值为 0X10B0。

2、添加 LED 设备节点

在 根节点“/” 下创建 LED 灯节点，节点名为“ gpioled ”，节点内容如下：
 

	gpioled{
		compatible = "alientek,gpioled";
		pinctrl-names = "default";
		pinctrl-0 = <&pinctrl_gpioled>;
		led-gpios = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
		status= "okay";
	};

第 4 行， pinctrl-0 属性设置 LED 灯所使用的 PIN 对应的 pinctrl 节点。

第 5 行， led-gpios  属性指定了 LED 灯所使用的 GPIO ，在这里就是 GPIO1 的 IO03 ，低电平

有效。稍后编写驱动程序的时候会获取 led-gpio 属性的内容来得到 GPIO 编号，因为 gpio 子系

统的 API 操作函数需要 GPIO 编号。

3 、检查 PIN 是否被其他外设使用
 

先检查 GPIO1_IO03 这个 PIN 有没有被其他的 pinctrl 节点使用，在 imx6ull-alientek-emmc.dts中搜索 “GPIO1_IO03”​​​​​​​  ，找到一个屏蔽一个。

再查找有没有其他的外设使用了 GPIO1_IO03，在 imx6ull-alientek-emmc.dts 中搜索 “gpio1 3”，
找到一个屏蔽一个。

设备树编写完成以后使用“ make dtbs ”命令重新编译设备树

使用新编译出来的 imx6ull-alientek-emmc.dtb 文件启动 Linux 系统。启动成功以后进入“

/proc/device-tree ”目录中 查看“gpioled ”节点是否存在

4.2 LED 灯驱动程序编写
 

新建工程，工程创建好以后新建 gpioled.c 文件，在 gpioled.c 里面输入如下内容：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define GPIOLED_CNT 1
#define GPIOLED_NAME "gpioled"
#define LEDOFF 0
#define LEDON 1

/*gpioled 设备结构体*/
struct gpioled_dev
{
    dev_t devid;
    int major;
    int minor;
    struct cdev cdev;
    struct class *class;
    struct device *device;
    struct device_node *nd;
    int led_gpio;
};

struct gpioled_dev gpioled; /*LED*/

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    filp->private_data = &gpioled;
    return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{

    return 0;
}

static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
                         size_t count, loff_t *ppos)
{
    int ret;
    unsigned char databuf[1];
    struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;

    ret = copy_from_user(databuf, buf, count);
    if (ret < 0)
    {
        return -EINVAL;
    }

    if (databuf[0] == LEDON)
    {
        gpio_set_value(dev->led_gpio, 0);
    }
    else if (databuf[0] == LEDOFF)
    {
        gpio_set_value(dev->led_gpio, 1);
    }
    return 0;
}

/*操作集*/
static const struct file_operations led_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .write = led_write,
    .open = led_open,
    .release = led_release,
};

/*驱动入口函数*/
static int __init led_init(void)
{
    int ret = 0;

    /*1,注册字符设备驱动*/
    gpioled.major = 0;
    if (gpioled.major)
    { /*给定主设备号*/
        gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);
        register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, "GPIOLED_NAME");
    }
    else
    {
        alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, "GPIOLED_NAME");
        gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);
        gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);
    }
    printk("gpioled major =%d, minor =%d \r\n", gpioled.major, gpioled.minor);

    /*2,初始化cdev*/
    gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&gpioled.cdev, &led_fops);

    /*3,添加cdev*/
    cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);

    /*4,创建类*/
    gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
    if (IS_ERR(gpioled.class))
    {
        return PTR_ERR(gpioled.class);
    }
    /*5,创建设备*/
    gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);
    if (IS_ERR(gpioled.device))
    {
        return PTR_ERR(gpioled.device);
    }

    /***************本次实验重点添加内容**********************/
    /*1，获取设备节点*/
    gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    if (gpioled.nd == NULL)
    {
        ret = -EINVAL;
        goto fail_findnode;
    }

    /*2,获取LED设备所对应的GPIO编号*/
    gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpios", 0);
    if (gpioled.led_gpio < 0)
    {
        printk("can't find led gpio\r\n");
        ret = -EINVAL;
        goto fail_findnode;
    }
    printk("led gpio num =%d\r\n", gpioled.led_gpio);

    /*3,申请GPIO引脚*/
    ret = gpio_request(gpioled.led_gpio, "led-gpio");
    if (ret)
    {
        printk("Failed to request the led gpio\r\n");
        ret = -EINVAL;
        goto fail_findnode;
    }

    /*4,设置 GPIO1_IO03 为输出，并且输出高电平，默认关闭 LED 灯*/
    ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);
    if (ret)
    {
        goto fail_setoutput;
    }

    /*5,输出低电平，点亮led灯*/
    gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0);

    return 0;

fail_setoutput:
    gpio_free(gpioled.led_gpio);
fail_findnode:

    return ret;
}

/*驱动出口函数*/
static void __exit led_exit(void)
{
    /*关灯*/
    gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 1);

    /*注销字符设备驱动*/
    cdev_del(&gpioled.cdev);
    unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
    device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
    class_destroy(gpioled.class);

    /*释放IO*/
    gpio_free(gpioled.led_gpio);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("supersmart");

4.3 编写测试 APP
同 《新字符设备驱动实验》测试APP一样：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

/*
 *argc:应用程序参数个数
 * argv[]:具体的参数内容，字符串形式
 * ./ledAPP  <0:1> 0 关灯，1 开灯
 * ./ledAPP /dev/dtsled 0 关灯
 * ./ledAPP /dev/dtsled 1 开灯
 */

#define LEDOFF 0
#define LEDON 1
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, retvalue;
    char *filename;
    unsigned char databuf[1];

    if (argc != 3)
    {
        printf("Error Usage!\r\n");
        return -1;
    }

    filename = argv[1];

    fd = open(filename, O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        printf("file %s open failed!\r\n", filename);
        return -1;
    }

    databuf[0] = atoi(argv[2]); /*将字符转化为数字*/
    retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
    if (retvalue < 0)
    {
        printf("LED Control Failed ! \r\n");
        close(fd);
        return -1;
    }
    
    close(fd);

    return 0;
}

5 运行测试

5.1 编译驱动程序和测试 APP
1、编译驱动程序
编写 Makefile 文件

KERNELDIR := /home/znn/linux/IMX6ULL/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
CURRENT_PAHT := $(shell pwd)
obj-m := gpioled.o

build :kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PAHT) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PAHT) clean

​​​​​​​编译驱动模块

2、编译测试 APP


5.2 运行测试

将上一小节编译出来的 gpioled.ko 和 ledApp 这两个文件拷贝到 rootfs/lib/modules/4.1.15 目

录中

重启开发板，进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，加载驱动模块

打开led

 

关闭led

 

卸载驱动
​​​​​​​