【Linux 内核源码分析】GPIO子系统软件框架

Linux内核的GPIO子系统是用于管理和控制通用输入输出（GPIO）引脚的软件框架。它提供了一套统一的接口和机制，使开发者能够方便地对GPIO进行配置、读写和中断处理。

主要组件：

1. GPIO框架：提供了一套API和数据结构，用于在驱动程序中注册和操作GPIO引脚。这包括GPIO的请求、释放、配置以及读写等功能。

2. GPIO控制器驱动：每个具体的硬件平台都需要编写相应的GPIO控制器驱动程序，负责与硬件进行交互，并向上层提供统一的接口。它们通过设备树描述文件来与硬件平台进行绑定。

3. GPIO消费者设备：用户空间或其他内核模块中可以通过GPIO消费者设备来请求使用特定的GPIO资源，并进行配置、读写等操作。常见的消费者设备有LED驱动、按键输入设备等。

4. 中断处理：GPIO子系统支持对GPIO引脚触发中断事件进行处理。当某个GPIO引脚状态发生变化时，相关的中断处理程序会被调用，开发者可以编写自己的中断处理函数来响应相应事件。

通过这些组件，开发者可以使用GPIO子系统来管理和控制系统中的GPIO引脚。他们可以请求、配置和读写GPIO资源，以实现与外部设备的交互，如控制LED灯的亮度、检测按键输入等。

作用：

1. 抽象硬件差异：不同硬件平台上的GPIO引脚数量、编号、电压级别等特性可能各不相同。GPIO子系统提供了一个标准化的接口，使得开发者可以在不关心底层硬件细节的情况下编写通用代码。

2. 灵活配置：通过GPIO子系统，用户可以动态地配置GPIO引脚为输入或输出模式，并设置其电平状态、中断触发方式等。这样就可以实现对外部设备进行读取和控制操作。

3. 中断支持：GPIO子系统允许用户注册回调函数，以响应GPIO引脚状态变化所产生的中断事件。这种机制在需要及时处理外部事件时非常有用，例如按键输入、传感器触发等。

4. 用户空间访问：通过文件系统接口（sysfs或者更现代化的字符设备接口），用户空间程序可以直接与GPIO子系统进行交互，读取和设置GPIO引脚的状态。这使得用户可以使用各种编程语言和工具进行GPIO的应用开发。

GPIO相关硬件有哪些差异

嵌入式工程师总是要处理各种各样的target board，每个target board上的GPIO总是存在不同。

和CPU的连接方式不同

对于ARM的嵌入式硬件平台，SOC本身可以提供大量的IO port，SOC上的GPIO controller是通过SOC的总线（AMBA）连接到CPU的。

对于嵌入式系统而言，除了SOC的IO port，一些外设芯片也可能会提供IO port，例如：

（1）有些key controller芯片、codec或者PMU的芯片会提供I/O port

（2）有些专用的IO expander芯片可以扩展16个或者32个GPIO

从硬件角度看，这些IO和SOC提供的那些IO完全不同，CPU和IO expander是通过I2C（也有可能是SPI等其他类型的bus）连接的，在这种情况下，访问这些SOC之外的GPIO需要I2C的操作，而控制SOC上的GPIO只需要写寄存器的操作。

不要小看这个不同，写一个SOC memory map的寄存器非常快，但是通过I2C来操作IO就不是那么快了，甚至，如果总线繁忙有可能阻塞当前进程，这种情况下，内核同步机制必须有所区别（如果操作GPIO可能导致sleep，那么同步机制不能采用spinlock）。

访问方式不同

SOC片内的GPIO controller和SOC片外的IO expander的访问当然不一样，不过，即便都是SOC片内的GPIO controller，不同的ARM芯片，其访问方式也不完全相同，例如：有些SOC的GPIO controller会提供一个寄存器来控制输出电平。向寄存器写1就是set high，向寄存器写0就是set low。但是有些SOC的GPIO controller会提供两个寄存器来控制输出电平。向其中一个寄存器写一就是set high，向另外一个寄存器写一就是set low。

配置方式不同

即便是使用了同样的硬件（例如都使用同样的某款SOC），不同硬件系统上GPIO的配置不同。

在一个系统上配置为输入，在另外的系统上可能配置为输出。

GPIO特性不同

这些特性包括：

（1）是否能触发中断。对一个SOC而言，并非所有的IO port都支持中断功能，可能某些处理器只有一两组GPIO有中断功能。

（2）如果能够触发中断，那么该GPIO是否能够将CPU从sleep状态唤醒

（3）有些有软件可控的上拉或者下拉电阻的特性，有的GPIO不支持这种特性。在设定为输入的时候，有的GPIO可以设定debouce的算法，有的则不可以。

5、多功能复用

有的GPIO就是单纯的作为一个GPIO出现，有些GPIO有其他的复用的功能。例如IO expander上的GPIO只能是GPIO，但是SOC上的某个GPIO除了做普通的IO pin脚，还可以是SPI上clock信号线。

硬件功能分类

ARM based SOC的datasheet中总有一个章节叫做GPIO controller（或者I/O ports）的章节来描述如何配置、使用SOC的引脚。

虽然GPIO controller的硬件描述中充满了大量的寄存器的描述，但是这些寄存器的功能大概分成下面三个类别：

1、有些硬件逻辑是和IO port本身的功能设定相关的，我们称这个HW block为pin controller。软件通过设定pin controller这个硬件单元的寄存器可以实现：

（1）引脚功能配置。例如该I/O pin是一个普通的GPIO还是一些特殊功能引脚（例如memeory bank上CS信号）。

（2）引脚特性配置。例如pull-up/down电阻的设定，drive-strength的设定等。

2、如果一组GPIO被配置成SPI，那么这些pin脚被连接到了SPI controller，如果配置成GPIO，那么控制这些引脚的就是GPIO controller。通过访问GPIO controller的寄存器，软件可以：

（1）配置GPIO的方向

（2）如果是输出，可以配置high level或者low level

（3）如果是输入，可以获取GPIO引脚上的电平状态

3、如果一组gpio有中断控制器的功能，虽然控制寄存器在datasheet中的I/O ports章节描述，但是实际上这些GPIO已经被组织成了一个interrupt controller的硬件block，它更像是一个GPIO type的中断控制器，通过访问GPIO type的中断控制器的寄存器，软件可以：

（1）中断的enable和disable（mask和unmask）

（2）触发方式

（3）中断状态清除

Linux是如何通过软件抽象来掩盖GPIO在硬件差异的

传统的GPIO driver是负责上面三大类的控制，而新的linux kernel中的GPIO subsystem则用三个软件模块来对应上面三类硬件功能：

（1）pin control subsystem。驱动pin controller硬件的软件子系统。

（2）GPIO subsystem。驱动GPIO controller硬件的软件子系统。

（3）GPIO interrupt chip driver。这个模块是作为一个interrupt subsystem中的一个底层硬件驱动模块存在的。

本文主要描述前两个软件模块，具体GPIO interrupt chip driver以及interrupt subsystem请参考本站其他相关文档。

pin control subsystem block diagram

下图描述了pin control subsystem的模块图：

底层的pin controller driver是硬件相关的模组，初始化的时候会向pin control core模块注册pin control设备（通过pinctrl_register这个bootom level interface）。

pin control core模块是一个硬件无关模块，它抽象了所有pin controller的硬件特性，仅仅从用户（各个driver就是pin control subsystem的用户）角度给出了top level的接口函数，这样，各个driver不需要关注pin controller的底层硬件相关的内容。

GPIO subsystem block diagram

下图描述了GPIO subsystem的模块图：