linux驅動開發（一）

水波浪 2019-06-11

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前言

GPIO驅動是Linux驅動開發中最基礎、但卻是很常用、很重要的驅動。比如你要點亮一個LED燈、鍵盤掃描、輸出高低電平等等。而Linux內核的強大之處在于對最底層的GPIO硬件操作層的基礎上封裝了一些統一的GPIO操作接口，也就是所謂的GPIO驅動框架。這樣開發人員可以調用這些接口去操作設備的IO口，不需要擔心硬件平臺的不同導致IO口的不同。

今天，我主要講的就是如何使用Linux內核封裝好的GPIO接口函數在驅動開發中需要操作GPIO時候的使用。

文章部分內容參考他人博客，特此聲明！

概述

GPIO是與硬件體系密切相關的，linux提供一個模型來讓驅動統一處理GPIO，即各個板卡都有實現自己的gpio_chip控制模塊：request, free, input,output, get,set,irq...然后把控制模塊注冊到內核中，這時會改變全局gpio數組：gpio_desc[]. 當用戶請求gpio時，就會到這個數組中找到，并調用這個GPIO對應的gpio_chip的處理函數。gpio實現為一組可用的 gpio_chip, 由驅動傳入對應 gpio的全局序號去 request, dataout ,datain, free. 這時會調用gpio_chip中具體的實現。

GPIO是一組可控件的腳，由多個寄存器同時控制。通過設置對應的寄存器可以達到設置GPIO口對應狀態與功能。數據狀態，輸入輸出方向，清零，中斷（哪個邊沿觸發），一般是一組（bank）一組的。寄存器讀寫函數: __raw_writel() __raw_writeb() __raw_readl() __raw_readb()。

1. Linux內核中GPIO模型的結構

1.1 struct gpio_desc

//表示一個gpio口，含對應的gpio_chip.
//對于每一個gpio，都有一個gpio描述符，這個描述符包含了這個gpio所屬的控制器即chip和一些標志，label等。

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_EXPORT 2   /* protected by sysfs_lock */
#define FLAG_SYSFS  3   /* exported via /sys/class/gpio/control */
#define FLAG_TRIG_FALL  4   /* trigger on falling edge */
#define FLAG_TRIG_RISE  5   /* trigger on rising edge */
#define FLAG_ACTIVE_LOW 6   /* value has active low */
#define FLAG_OPEN_DRAIN 7   /* Gpio is open drain type */
#define FLAG_OPEN_SOURCE 8  /* Gpio is open source type */
#define FLAG_USED_AS_IRQ 9  /* GPIO is connected to an IRQ */
#define ID_SHIFT    16  /* add new flags before this one */
#define GPIO_FLAGS_MASK     ((1 << ID_SHIFT) - 1)
#define GPIO_TRIGGER_MASK   (BIT(FLAG_TRIG_FALL) | BIT(FLAG_TRIG_RISE))
#ifdef CONFIG_DEBUG_FS
    const char      *label;
#endif
};
//采用了一個具有ARCH_NR_GPIOS大小的gpio描述符數組。這個描述符數組便代表了系統所有的gpio。

static struct gpio_desc gpio_desc[ARCH_NR_GPIOS];

1.2 struct davinci_gpio_controller

//一組GPIO控制器結構，例如GPIO0和GPIO1是一組(共32個GPIO口)，共用一組寄存器，所以GPIO0和GPIO1荷載一起用chips[0]來控制
//假如有144個GPIO，分為4組（GPIO0~GPIO8），每組有2個banks(即GPIO0和GPIO1為1組)，每組最多可以有32個GPIO，每組的控制寄存器空間有10個

struct davinci_gpio_controller {
    struct gpio_chip    chip;//每組對應的gpio_chip
    int            irq_base;//每組對應的中斷
    spinlock_t        lock;//自旋鎖
    void __iomem        *regs;//每組的寄存器地址
    void __iomem        *set_data;//設置數據寄存器地址
    void __iomem        *clr_data;//清除數據寄存器地址
    void __iomem        *in_data;//輸入數據寄存器地址
};

1.3 struct gpio_chip

//每一個davinci_gpio_controller結構都對應于一個gpio_chip結構，gpio_chip既可看成是davinci_gpio_controller結構的補充
//表示一個gpio controller.通過這個結構抽象化所有的GPIO源，而讓板上其它的模塊可以用相同的接口調用使用這些GPIO。

struct gpio_chip {
    const char    *label;
    struct device    *dev;
    struct module    *owner; 
    int    (*request)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset);//請求gpio
    void    *free)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset);//釋放gpio
    int    (*get_direction)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset);
    int    (*direction_input)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset);//配置gpio為輸入，返回當前gpio狀態
    int    (*get)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset);//獲取gpio的狀態
    int    (*direction_output)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset, int value);//配置gpio為輸出，并設置為value
    int    (*set_debounce)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset, unsigned debounce);//設置消抖動時間，尤其是gpio按鍵時有用
    void    (*set)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset, int value);//設置gpio為value值
    int    (*to_irq)(struct gpio_chip *chip,unsigned offset);//把gpio號轉換為中斷號
    void    (*dbg_show)(struct seq_file *s,struct gpio_chip *chip);
    int    base;// 這個gpio控制器的gpio開始編號
    u16    ngpio;//這個gpio控制器說控制的gpio數
    const char    *const *names;
    unsigned    can_sleep:1;
    unsigned    exported:1;
#if defined(CONFIG_OF_GPIO)
    struct device_node *of_node;
    int of_gpio_n_cells;
    int (*of_xlate)(struct gpio_chip *gc,const struct of_phandle_args *gpiospec, u32 *flags);
#endif
#ifdef CONFIG_PINCTRL
    struct list_head pin_ranges;
#endif
};

1.4 struct davinci_gpio_regs

//GPIO寄存器結構

struct davinci_gpio_regs {
    u32 dir; // gpio方向設置寄存器 
    u32 out_data; // gpio設置為輸出時，表示輸出狀態(0或1) 
    u32 set_data; // gpio設置為輸出時，用于輸出高電平 
    u32 clr_data; // gpio設置為輸出時，用于輸出低電平 
    u32 in_data; // gpio設置為輸入時，用于讀取輸入值 
    u32 set_rising; // gpio中斷上升沿觸發設置 
    u32 clr_rising; // gpio中斷上升沿觸發清除 
    u32 set_falling; // gpio中斷下降沿觸發設置 
    u32 clr_falling; // gpio中斷下降沿觸發清除 
    u32 intstat; // gpio中斷狀態位，由硬件設置，可讀取，寫1時清除。 
};

1.5 struct gpio

struct gpio {

unsigned gpio;//gpio號

unsigned long flags;//gpio標志

const char *label;//gpio名

};

2. 驅動開發中GPIO初始化操作

在實際的驅動開發中，根據板級資源和CPU手冊，GPIO初始化一般需要以下三個步驟：

1.設置IO口的復用模式，如果某個IO當作GPIO使用，那么就需要根據CPU手冊去配置iomux（IO復用寄存器）為GPIO模式；

2.設置IO口的輸入輸出方向，根據實際開發需求，將相應的GPIO配置為相應的輸入輸出方向；

3.GPIO初始化賦值（輸出高低電平）、拉高拉低操作；

2.1 GPIO申請

#########################################

#description:申請一個GPIO資源

#unsigned gpio:要申請的GPIO管腳號，為一個正整數

# const char *label：為申請的GPIO管腳取個名字

#########################################

int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);

int gpio_request_one(unsigned gpio, unsigned long flags, const char *label);

2.2 GPIO輸入輸出設置

#########################################

#description:設置某個GPIO的輸入輸出方向

#unsigned gpio:要設置的GPIO管腳號，為一個正整數

# int value：設置的值

#########################################

int gpio_direction_input(unsigned gpio);
int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);

2.3 獲取GPIO管腳的值和設置GPIO管腳的值

#########################################

#description:獲取、設置某個GPIO的值

#unsigned gpio:要獲取、設置的GPIO管腳號

# int value：設置的值

#########################################

int gpio_get_value(unsigned gpio);
void gpio_set_value(unsigned gpio, int value);

2.4 GPIO當作中斷口使用

#########################################

#description:設置某個GPIO為中斷口

#unsigned gpio:要設置中斷的GPIO管腳號

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int gpio_to_irq(unsigned gpio);

返回的值即中斷編號可以傳給request_irq()和free_irq(),內核通過調用該函數將gpio端口轉換為中斷，在用戶空間也有類似方法。

3. GPIO驅動實例

3.1 以下GPIO驅動例子為矩陣鍵盤中對GPIO的操作

//設置某個管腳為輸入

int set_key_input(unsigned int gpio)
{
    char name[32];
    sprintf(name, "GPIO%d", gpio);
    if(gpio_request(gpio,NULL) != 0)
    {
        printk("gpio request error!\n");
        return -1;
    }
    gpio_direction_input(gpio);
    gpio_free(gpio);
    return 0;
}

//設置某個管腳為輸出

int set_key_output(unsigned int gpio,int value)
{
    char name[32];
    sprintf(name, "GPIO%d", gpio);
    if(gpio_request(gpio,NULL) != 0)
    {
        printk("gpio request error!\n");
        return -1;
    }
    gpio_direction_output(gpio,value);
    gpio_free(gpio);
    return 0;
}

//獲取某個GPIO管腳的值

int get_key_value(unsigned int gpio)
{
    int value= -1;
    if (gpio_request(gpio, NULL) != 0)
    {
        printk("get_key_value err\n");        
        return -1;
    }
    value = gpio_get_value(gpio);
    gpio_free(gpio);
    return value;
}

//設置某個GPIO輸出為低電平

int set_key_low(unsigned int gpio)
{
	if (gpio_request(gpio, NULL) != 0) {
		//printk("set_key_low request err\n");
		return -1;
	}
	gpio_direction_output(gpio, 0);
	__gpio_set_value(gpio, 0);
	gpio_free(gpio);
	return 0;
}

//拉高、拉低某個GPIO

//GPIO的拉高拉低操作內核沒有提供通用的接口函數，這個需要驅動開發人員根據CPU手冊的寄存器配置去封裝拉高拉低函數，以下給出一個偽代碼的例子：

//假設拉高GPIO1_IO01這個IO：

<span style="font-size:12px;">#define SET_PULL_UP 0x01
#define SET_PULL_DOWN 0x00
#define REG_GPIO_BASE 0x8e000000
#define GPIO1_IO01_OFFSET 0x400
int set_pull_up(unsigned int reg_base，unsigned int offset,int up)
{
     unsigned int gpio_base;
     unsigned int gpio;
     gpio_base = ioreamap(reg_base,SIZE_4K);//調用ioreamap映射GPIO空間到內存，映射大小根據實際需求而定
     gpio = gpio_base + offset; 
     gpio |= up;		//將某個GPIO拉高，根據具體的寄存器操作而定 
     __raw_writel(gpio,gpio_base + offset);
     return 0;  
}
set_pull_up(REG_GPIO_BASE，GPIO1_IO01_OFFSET,SET_PULL_UP);</span>

//拉低某個GPIO

#define SET_PULL_UP 0x01
#define SET_PULL_DOWN 0x00
#define REG_GPIO_BASE 0x8e000000
#define GPIO1_IO01_OFFSET 0x400
int set_pull_down(unsigned int reg_base，unsigned int offset,int down)
{
     unsigned int gpio_base;
     unsigned int gpio;
     gpio_base = ioreamap(reg_base,SIZE_4K);//調用ioreamap映射GPIO空間到內存，映射大小根據實際需求而定
     gpio = gpio_base + offset; 
     gpio &= down;		//將某個GPIO拉低，根據具體的寄存器操作而定 
     __raw_writel(gpio,gpio_base + offset);
     return 0;  
}
set_pull_up(REG_GPIO_BASE，GPIO1_IO01_OFFSET,SET_PULL_DOWN);