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GPIO子系统

news 来源：原创 2024/9/19 21:27:40

GPIO（通用输入输出，General Purpose Input/Output）子系统

是Linux内核中用于控制和使用GPIO引脚的一组功能。

GPIO引脚是微控制器和计算机系统中用于控制硬件组件的简单接口。

GPIO引脚可以被配置为输入或输出，可以被用来连接按钮、灯、传感器等各种设备。

GPIO子系统的主要功能

输入/输出配置：GPIO引脚可以配置为输入模式（用于读取传感器的状态）或输出模式（用于控制LED、继电器等）。

电平读取和设置：GPIO系统允许驱动程序读取引脚的电平状态（高或低）以及设置引脚的电平。

中断处理：GPIO子系统支持通过中断方式响应引脚状态的变化（如按钮按下），使得系统能及时做出反应。

设备树支持：在多数系统中，GPIO引脚的配置可以通过设备树来描述，便于对硬件的抽象和兼容支持。

1. GPIO引脚请求与释放

int of_get_named_gpio(struct device_node *np, const char *propname, int index);功能：从设备树节点中获取指定索引的GPIO。
参数：
np：设备树节点。
propname：GPIO属性名称。
index：GPIO索引。
返回值：成功返回GPIO号码，失败时返回负的错误码。gpio_request
int gpio_request(unsigned int gpio, const char *label);功能：请求使用一个特定的GPIO引脚。
参数：
gpio：要请求的GPIO引脚号码。
label：用于描述请求使用的GPIO的标签字符串（用于调试和日志记录）。
返回值：成功返回0，失败时返回负的错误码。
gpio_free
void gpio_free(unsigned int gpio);功能：释放先前请求的GPIO引脚，使其可供其他模块使用。
参数：
gpio：要释放的GPIO引脚号码。

2. GPIO引脚设置与读取

gpio_direction_inputint gpio_direction_input(unsigned int gpio);功能：将GPIO引脚配置为输入模式。参数：gpio：要配置的GPIO引脚号码。返回值：成功返回0，失败时返回负的错误码。gpio_direction_outputint gpio_direction_output(unsigned int gpio, int value);功能：将GPIO引脚配置为输出模式，并设置初始电平。参数：gpio：要配置的GPIO引脚号码。value：输出的初始电平（0或1）。返回值：成功返回0，失败时返回负的错误码。gpio_get_valueint gpio_get_value(unsigned int gpio);功能：读取GPIO引脚的当前电平。参数：gpio：要读取的GPIO引脚号码。返回值：返回引脚的电平状态（0或1）。gpio_set_valuevoid gpio_set_value(unsigned int gpio, int value);功能：设置GPIO引脚的电平状态。参数：gpio：要设置的GPIO引脚号码。value：要设置的电平状态（0或1）。

GPIO中断处理

gpio_to_irqint gpio_to_irq(unsigned int gpio);功能：将GPIO引脚转换为IRQ编号，以便为该引脚设置中断。参数：gpio：目标GPIO引脚的号码。返回值：返回对应的IRQ编号，失败时返回负的错误码。request_irqint request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *devname, void *dev_id);功能：请求特定的IRQ，并注册处理程序。参数：irq：IRQ编号。handler：中断处理函数。flags：用于中断处理的标志。devname：与设备相关的名称（用于调试）。dev_id：用于指定设备的ID，回调时将其传入。返回值：成功返回0，失败时返回负的错误码。free_irqvoid free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);功能：释放先前请求的IRQ。参数：irq：要释放的IRQ编号。dev_id：与设备相关的ID。

GPIO属性与管理

   of_gpio_getint of_gpio_get(const struct device_node *np, int index);功能：从设备树节点中获取指定索引的GPIO。参数：np：设备树节点。index：GPIO索引。返回值：成功返回GPIO号码，失败时返回负的错误码。gpiochip_addint gpiochip_add(struct gpio_chip *chip);功能：注册一个GPIO控制器。参数：chip：指向GPIO控制器的结构体。返回值：成功返回0，失败时返回负的错误码。

5. 示例代码

myleds{core_leds{led1 = <&gpioz 5 0>;led2 = <&gpioz 6 0>;led3 = <&gpioz 7 0>;};extend_leds{led1 = <&gpioe 10 0>;led2 = <&gpiof 10 0>;led3 = <&gpioe 8 0>;};
};详细解释
myleds：这是设备树中的一个节点，代表一个名为 myleds 的设备或模块。
core_leds 和 extend_leds：这是 myleds 节点的两个子节点，分别描述了核心LED和扩展LED的配置。
led1, led2, led3：这些是子节点中的属性，描述了每个LED对应的GPIO引脚。
&gpioz 5 0：&gpioz 是一个引用，指向设备树中定义的 gpioz 节点。5 是GPIO引脚的编号，0 是默认的GPIO配置（通常表示默认配置）。
&gpioe 10 0：类似地，&gpioe 指向 gpioe 节点，10 是GPIO引脚的编号。led1 = <&gpioz 5 0>;这里的 0 是第三个参数，通常用于指示与该GPIO引脚相关的特定配置或属性。虽然具体含义在不同平台和驱动中可能有所不同，但通常来说，第三个参数可以表示以下几种情况之一：1. GPIO配置
在一些架构中，0 可能代表GPIO引脚的特定配置选项。例如：输出默认值：在某些情况下，第三个参数可能表示GPIO引脚的初始电平状态（如0表示低电平，1表示高电平）。
其他配置选项：一些GPIO控制器可能会使用这个参数来表示上拉/下拉配置或其它特定设置。
2. 无特定配置
在某些情况下，0 可能只是为了填充占位符，表示没有特定的配置需求。驱动程序在解析引脚时会忽略这个参数，只关注前面的两个参数。3. 特定于平台
不同的硬件平台和驱动程序可能会对这个参数有不同的解释。为了准确理解该参数的含义，你需要查阅具体硬件平台的数据手册或设备树文档，特别是与GPIO控制相关的部分。

myleds.h

#ifndef __MYLEDS_H__
#define __MYLEDS_H__// 定义ioctl命令，用于控制LED开/关
#define LED_ON _IOW('K',0,int)   // LED打开命令
#define LED_OFF _IOW('K',1,int)  // LED关闭命令// LED状态枚举定义
enum leds_status{OFF, // 关闭状态ON   // 开启状态
};// LED编号枚举定义
enum leds_no{LED1, // 核心LED1LED2, // 核心LED2LED3, // 核心LED3LED4, // 扩展LED4LED5, // 扩展LED5LED6, // 扩展LED6
};#endif

myleds.c

#include "myleds.h"
#include <head.h>
#include <sys/ioctl.h>// LED闪烁函数
int led_set_blink(int fd, int which)
{if (ioctl(fd, LED_ON, &which)) // 发送打开LED的ioctl命令PRINT_ERR("ioctl error"); // 输出错误信息sleep(1); // 延时1秒if (ioctl(fd, LED_OFF, &which)) // 发送关闭LED的ioctl命令PRINT_ERR("ioctl error"); // 输出错误信息sleep(1); // 延时1秒return 0; // 成功
}// 主函数
int main(int argc, const char* argv[])
{int fd;// 打开设备if ((fd = open("/dev/myleds", O_RDWR)) == -1)PRINT_ERR("open error"); // 打开失败，输出错误信息while (1) {led_set_blink(fd, LED5); // 持续闪烁LED5}close(fd); // 关闭设备return 0; // 结束程序
}

#include "myleds.h"
#include <head.h>
#include <sys/ioctl.h>// LED闪烁函数
int led_set_blink(int fd, int which)
{if (ioctl(fd, LED_ON, &which)) // 发送打开LED的ioctl命令PRINT_ERR("ioctl error"); // 输出错误信息sleep(1); // 延时1秒if (ioctl(fd, LED_OFF, &which)) // 发送关闭LED的ioctl命令PRINT_ERR("ioctl error"); // 输出错误信息sleep(1); // 延时1秒return 0; // 成功
}// 主函数
int main(int argc, const char* argv[])
{int fd;// 打开设备if ((fd = open("/dev/myleds", O_RDWR)) == -1)PRINT_ERR("open error"); // 打开失败，输出错误信息while (1) {led_set_blink(fd, LED5); // 持续闪烁LED5}close(fd); // 关闭设备return 0; // 结束程序
}

GPIO子系统是怎么控制硬件的

在Linux设备模型中，每个GPIO引脚被抽象为一个设备。

这些设备通过设备树（Device Tree）进行描述，使得系统能够在引导时识别和配置这些引脚。

设备树包含了引脚的信息，包括引脚的编号、功能、连接的设备等。

GPIO引脚的初始化

当驱动程序加载时，GPIO子系统会依据设备树的信息进行初始化。引脚的初始化通常包括以下步骤：

查找设备节点：通过设备树API（如 of_find_node_by_path）查找特定的GPIO设备节点。
获取GPIO编号：使用API（如 of_get_named_gpio）从设备节点中获取特定引脚的GPIO编号。
请求GPIO：调用 gpio_request 函数请求使用该GPIO引脚，这样其他驱动就无法使用它。
配置GPIO方向

每个GPIO引脚可以配置为输入或输出：

输入模式：使用 gpio_direction_input 设置引脚为输入模式，驱动程序可以读取其电平状态（高或低）。
输出模式：使用 gpio_direction_output 设置引脚为输出模式，驱动程序可以控制引脚的电平输出（高或低）。

控制GPIO引脚的电平

设置输出电平：使用 gpio_set_value 函数来设置GPIO引脚的高（1）或低（0）电平。
读取输入电平：使用 gpio_get_value 函数来读取GPIO引脚的当前电平状态。
释放GPIO资源
当驱动程序不再需要使用GPIO引脚时，需要调用 gpio_free 函数来释放该引脚，以便其他驱动可以使用。
事件驱动
对于输入模式，GPIO引脚也可以配置为触发中断，当引脚状态发生变化时（例如按钮被按下），系统可以生成一个中断信号，通知相关的驱动程序进行处理。

例如，在一个LED驱动程序中，可能会执行以下操作：使用设备树查找与LED相关的GPIO引脚。
请求该GPIO引脚。
设置引脚为输出模式。
在需要时调用 gpio_set_value 控制LED的开启或关闭。
在模块卸载时释放GPIO引脚。

步骤


1. 定义设备树结构：首先，在设备树文件中定义LED的相关信息，包括GPIO编号。比如，你可能会在设备树的某个节点下定义LED的信息，如下例：myleds {core_leds {led1 = <&gpioz 5 0>;led2 = <&gpioz 6 0>;};extend_leds {led1 = <&gpioe 10 0>;led2 = <&gpiof 10 0>;};
};2. 在驱动程序中包含所需的头文件：确保包含必要的头文件来使用设备树相关的API。#include <linux/of.h>
#include <linux/of_gpio.h>3. 查找设备树节点：使用 of_find_node_by_path 或 of_find_node_by_name 函数来查找设备树中定义的LED节点。4. 获取GPIO编号：使用 of_get_named_gpio 函数从找到的节点中获取与LED相关的GPIO引脚编号。5. 请求GPIO引脚：使用 gpio_request 请求获得的GPIO引脚。