【LINUX驱动框架学习】Linux GPIO驱动以及底层实现方式
GPIO（通用目的输入/输出端口）是一种灵活的软件控制的数字信号。大多数的嵌入式
处理器都引出一组或多组的 GPIO，并且部分普通管脚通过配置可以复用为 GPIO。利用可
编程逻辑器件，或总线（如 I 2 C、SPI）转 GPIO 芯片，也可以扩展系统的 GPIO。不管是何
种 GPIO，GPIOLIB 为内核和用户层都提供了标准的操作方法。
GPIOLIB 的接口十分简洁。在 GPIOLIB，所有的 GPIO 都是用整形的 GPIO 编号标识。
只要获得要操作 GPIO 的编号，就可以调用 GPIOLIB 提供的方法操作 GPIO。
GPIOLIB 的内核接口
GPIOLIB 的内核接口是指：若某些 GPIO 在 GPIOLIB 框架下被驱动后，GPIOLIB 为内
核的其它代码操作该 GPIO 而提供的标准接口。
1． GPIO 的申请和释放
GPIO 在使用前，必须先调用 gpio_request()函数申请 GPIO：
int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);
该函数的 gpio 参数为 GPIO 编号；label 参数为 GPIO 的标识字符串，可以随意设定。
若该函数调用成功，将返回 0 值；否则返回非 0 值。gpio_request()函数调用失败的原因可能
为 GPIO 的编号不存在，或在其它地方已经申请了该 GPIO 编号而还没有释放。
当 GPIO 使用完成后，应当调用 gpio_free()函数释放 GPIO：
void gpio_free(unsigned gpio);
2． GPIO 的输出控制
在操作 GPIO 输出信号前，需要调用 gpio_direction_output()函数把 GPIO 设置为输出方
向：
int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);
把 GPIO 设置为输出方向后，参数 value 为默认的输出电平：1 为高电平；0 为低电平。
GPIO 被设置为输出方向后，就可以调用 gpio_set_value()函数控制 GPIO 输出高电平或
低电平：
void gpio_set_value(unsigned gpio, int value);
该函数的 value 参数可取值为：1 为高电平；0 为低电平。
3． GPIO 的输入控制
当需要从 GPIO 读取输入电平状态前，需要调用 gpio_direction_input()函数设置 GPIO 为
输入方向：
int gpio_direction_input(unsigned gpio);
在 GPIO 被设置为输入方向后，就可以调用 gpio_get_value()函数读取 GPIO 的输入电平
状态：
int gpio_get_value(unsigned gpio);
该函数的返回值为 GPIO 的输入电平状态：1 为高电平；0 为低电平。
4． GPIO 的中断映射
大多数的嵌入式处理器的 GPIO 引脚在被设置为输入方向后，可以用于外部中断信号的
输入。这些中断号和 GPIO 编号通常有对应关系，因此 GPIOLIB 为这些 GPIO 提供了
gpio_to_irq()函数用于通过 GPIO 编号而获得该 GPIO 中断号：
int gpio_to_irq(unsigned gpio);
gpio_to_irq()函数调用完成后，返回 GPIO 中断号。
由于并不是所有的 GPIO 都可以作为外部中断信号输入端口，所以 gpio_to_irq()函数不
是对所有的 GPIO 都强制实现的
基于这些函数可以在屏蔽底层寄存器的情况下写驱动
#include 底层实现方式（以MX28为例）
对于GPIOLIB底层实现的源码位于drivers/gpiolib.c
GPIOLIB 对每组 GPIO 都用一个 gpio_chip 对象来实现其驱动。gpio_chip 也称为 GPIO
控制器，其定义
struct gpio_chip {
const char *label;
struct device *dev;
struct module *owner;
int (*request)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
void (*free)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
int (*direction_input)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
int (*get)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
int (*direction_output)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
int (*set_debounce)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, unsigned debounce);
void (*set)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
int (*to_irq)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
void (*dbg_show)(struct seq_file *s, struct gpio_chip *chip);
int base;
u16 ngpio;
const char *const *names;
unsigned can_sleep:1;
unsigned exported:1;
};
下面介绍 gpio_chip 的部分成员：
base 该组 GPIO 的起始值。
ngpio 该组 GPIO 的数量。
owner 该成员表示所有者，一般设置为 THIS_MODULE。
request在对该组的GPIO调用gpio_request()函数时，该成员指向的实现函数将被调用。
在该成员指向的实现函数中，通常需要执行指定 GPIO 的初始化操作。
在实现函数中都是用索引值来区别组内的 GPIO。索引值是指组内的某一 GPIO 编号相
对于该组 GPIO 起始值（base）的偏移量，例如，组内第 1 个 GPIO 的索引值为 0、第 2 个
GPIO 的索引值为 1„„ 实现函数的 offset 参数为要操作 GPIO 的索引值（以下相同）。
free 在对该组的 GPIO 调用 gpio_free()函数时，该成员指向的实现函数将被调用。在该
成员的实现函数中，通常需要执行指定 GPIO 硬件资源的释放操作。
direction_input 在对该组的 GPIO 调用 gpio_direction_input()函数时，该成员指向的实
现函数将被调用。在该成员的实现函数中，需要把指定的 GPIO 设置为输入方向。
get 在对该组的 GPIO 调用 gpio_get_value()函数时，该成员指向的实现函数将被调用。
在该成员的实现函数中，需要返回指定 GPIO 的电平输入状态。
direction_output 在对该组的 GPIO 调用 gpio_direction_output()函数时，该成员指向的实
现函数将被调用。在该成员的实现函数中，需要把指定的 GPIO 设置为输出方向。
set 在对该组的 GPIO 调用 gpio_set_value()函数时，该成员指向的实现函数将被调用。
在该成员的实现函数中，需要把指定的 GPIO 设置为指定的电平输出状态。
以mx28为例查看如何实现gpiolib
mx28
gpio是以数字序号为索引的IMX283内部驱动实现了一个1-160 5*32的gpiolib
所以外部接口函数都可以通过一个数字访问到IO口
通过下面这个结构体管理gpio_chip
struct mxs_gpio_port {
int id;
int irq;
int child_irq;
struct mxs_gpio_chip *chip;
struct gpio_chip port;
};
可以通过下面这个函数将gpio_chip添加到内核中
int __init mxs_add_gpio_port(struct mxs_gpio_port *port)
{
int i, ret;
if (!(port && port->chip))
return -EINVAL;
if (mxs_valid_gpio(port))
return -EINVAL;
if (mxs_gpios[port->id])
return -EBUSY;
mxs_gpios[port->id] = port;
port->port.base = port->id * PINS_PER_BANK;
port->port.ngpio = PINS_PER_BANK;
port->port.can_sleep = 1;
port->port.exported = 1;
port->port.to_irq = mxs_gpio_to_irq;
port->port.direction_input = mxs_gpio_input;
port->port.direction_output = mxs_gpio_output;
port->port.get = mxs_gpio_get;
port->port.set = mxs_gpio_set;
port->port.request = mxs_gpio_request;
port->port.free = mxs_gpio_free;
port->port.owner = THIS_MODULE;
ret = gpiochip_add(&port->port);
if (ret < 0)
return ret;
if (port->child_irq < 0)
return 0;
for (i = 0; i < PINS_PER_BANK; i++) {
gpio_irq_chip.mask(port->child_irq + i);
set_irq_chip(port->child_irq + i, &gpio_irq_chip);
set_irq_handler(port->child_irq + i, handle_level_irq);
set_irq_flags(port->child_irq + i, IRQF_VALID);
}
set_irq_chained_handler(port->irq, mxs_gpio_irq_handler);
set_irq_data(port->irq, port);
return ret;
};
自己实现一个GPIO控制器
这里为 GPIO3_4 和 GPIO3_5 安排的 GPIO 编号分别为 160 和 161。这两个 GPIO 在同
一个 GPIO 组里，该组的 GPIO 编号起始编号为 160。实现该组的 GPIO 控制器代码如程序
struct gpio_chip mx28_gpio_chip = {
.label = "example_gpio",
.owner = THIS_MODULE,
.base = 160,
| .ngpio = 2,
.request = mxs_gpio_request,
.free = mxs_gpio_free,
.direction_input = mxs_gpio_input,
.get = mxs_gpio_get,
.direction_output = mxs_gpio_output,
.set = mxs_gpio_set,
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.exported = 1,
};
由于该组的 GPIO 编号范围已经超出了内核源码定义的最大值，所以必须把
MXS_ARCH_NR_GPIOS 宏定义的值改为足够大的值：
#define MXS_ARCH_NR_GPIOS (160 + 2)
然后编译内核，把新内核固件烧写到目标机中。
下面介绍 mx28_gpio_chip 各成员函数的实现：
## request 的实现
request 成员的实现函数为 mxs_gpio_request()，该函数的代码如程序清单 4.7 所示。当
内核对编号为 160 ~ 161 的 GPIO 调用 gpio_request()函数时，该函数将被调用。
程序清单 4.7 mxs_gpio_request()函数的实现代码
static int mxs_gpio_request(struct gpio_chip *chip, unsigned int pin)
{
void __iomem *addr = PINCTRL_BASE_ADDR;
pin += 4;
__raw_writel(0x3 << pin * 2, addr + HW_PINCTRL_MUXSEL6_SET); /* set as GPIO */
return 0;
}
pin 参数为要申请 GPIO 编号的索引值：对于编号为 160 的 GPIO，pin 的值为 0；对于
编号为 161 的 GPIO，pin 的值为 1。由于 GPIO3_4 和 GPIO3_5 在 HW_PINCTRL_MUXSEL6
寄存器的操作位分别在 8 ~ 9 和 10 ~ 11，所以在该函数中需要根据 GPIO 的索引值来设置
寄存器的相应位。
## direction_input 的实现
direction_input成员的实现函数为mxs_gpio_input()，该函数的代码如程序清单 4.8所示。
当内核对编号为 160 ~ 161 的 GPIO 调用 gpio_direction_input ()函数时，该函数将被调用。
static int mxs_gpio_input(struct gpio_chip *chip, unsigned int index)
{
void __iomem *base = PINCTRL_BASE_ADDR;
index += 4;
__raw_writel(1 << index, base + HW_PINCTRL_DOE3_CLR);
return 0;
}
index 参数为要操作 GPIO 的索引值。在该函数中，需要根据传入 GPIO 的索引值在
HW_PINCTRL_DOE3 寄存器的正确位设置为 0，以控制相应的 GPIO 为输入工作状态。
## get 的实现
get 成员的实现函数为 mxs_gpio_get()，该函数的代码如程序清单 4.9 所示。当内核对编
号为 160 ~ 161 的 GPIO 调用 gpio_get_value()函数时，该函数将被调用。
程序清单 4.9 mxs_gpio_get()函数的实现代码
static int mxs_gpio_get(struct gpio_chip *chip, unsigned int index)
{
unsigned int data;
void __iomem *base = PINCTRL_BASE_ADDR;
index += 4;
data = __raw_readl(base + HW_PINCTRL_DIN3);
return data & (1 << index);
}
在该函数中，需要根据传入GPIO的索引值从HW_PINCTRL_DIN3寄存器的正确位中，
获得 GPIO 的输入电位状态。
## direction_output 的实现
direction_output 成员的实现函数为 mxs_gpio_output()，该函数的代码如程序清单 4.10
所示。当内核对编号为 160 ~ 161 的 GPIO 调用 gpio_direction_output ()函数时，该函数将被
调用。
程序清单 4.10 mxs_gpio_output()函数的实现代码
static int mxs_gpio_output(struct gpio_chip *chip, unsigned int index, int v)
{
void __iomem *base = PINCTRL_BASE_ADDR;
index += 4;
__raw_writel(1 << index, base + HW_PINCTRL_DOE3_SET); /* 设置为输出工作模式 */
if (v) { /* 当 v 为非 0 时， 设置 GPIO 输出高电平 */
__raw_writel(1 << index, base + HW_PINCTRL_DOUT3_SET);
} else { /* 当 v 为 0 时，设置 GPIO 输出低电平 */
__raw_writel(1 << index, base + HW_PINCTRL_DOUT3_CLR);
}
return 0;
}
参数 v 为 GPIO 被设置为输出工作模式后，默认的输出值：0 为输出低电平，非 0 为输
出高电平。在该函数中，需要根据输入 GPIO 的索引值，在 HW_PINCTRL_DOE3 寄存器把
GPIO 设置为输出工作状态，然后在 HW_PINCTRL_DOUT3 寄存器设置默认的输出电平。
## set 的实现
set 成员的实现函数为 mxs_gpio_set()，该函数的实现代码如程序清单 4.11 所示。当内
核对编号为 160 ~ 161 的 GPIO 调用 gpio_set_value ()函数时，该函数将被调用。
程序清单 4.11 mxs_gpio_set()函数的实现代码
static void mxs_gpio_set(struct gpio_chip *chip, unsigned int index, int v)
{
void __iomem *base = PINCTRL_BASE_ADDR;
index += 4;
if (v) { /* 设置 GPIO 输出高电平 */
__raw_writel(1 << index, base + HW_PINCTRL_DOUT3_SET);
} else { /* 设置 GPIO 输出低电平 */
__raw_writel(1 << index, base + HW_PINCTRL_DOUT3_CLR);
}
}
在该函数中，需要根据输入 GPIO 的索引值，在 HW_PINCTRL_DOUT3 寄存器设置输
出电平。
## GPIO 控制器的注册和注销
在模块的初始化函数中，需要注册 GPIO 控制器，如程序清单 4.12 所示。
程序清单 4.12 注册 GPIO 控制器的实现代码
static int __init mx28_gpio_init(void)
{
int ret = 0;
ret = gpiochip_add(&mx28_gpio_chip);
if (ret) {
printk("add example gpio faile:%d \n", ret);
goto out;
}
printk("add example gpio success... \n");
out:
return ret;
}
module_init(mx28_gpio_init);
static void __exit mx28_gpio_exit(void)
{
gpiochip_remove(&mx28_gpio_chip);
printk("remove example gpio... \n");
}
module_exit(mx28_gpio_exit);
装载模块以后可以在sys/class/gpio/export目录下找到对应的设备文件