linux驱动-gpio

news2024/11/14 20:37:08

最近处理es8336声卡问题，最后排查是spk_ctl_gpio和hp_det_gpio这两个gpio导致的，所以恶补了一下gpio相关的知识，现在总结一下。
源代码使用的是飞腾的gitee上开源的内核：https://gitee.com/phytium_embedded/phytium-linux-kernel.git

1. 概述

在这里插入图片描述

  1. 设备驱动层：定义了与硬件无关的GPIO API，包括GPIO的注册、卸载和控制等功能，而实现了某个模块的具体实现，比如led灯、按键等等。

  2. gpiolib抽象层：GPIO框架中的核心抽象层，它的作用是为设备驱动层和控制器层提供一致的接口，该层提供了包括上层设备驱动和下层控制器驱动的API接口。

  3. 控制器层：GPIO控制器的实现和管理，在该层中实现特定GPIO控制器的底层硬件操作和功能实现包括GPIO控制器的初始化、操作和管理等。负责GPIO寄存器的读写操作和GPIO中断的处理等。

其中gpiolib抽象层是GPIO框架中的核心层，也是linux内核自己实现的，一般情况下没有人会修改这部分的代码，控制器层一般是芯片厂家BSP工程师实现的，设备驱动层是驱动工程师根据开发版的实际情况实现的。优秀的BSP工程师和驱动工程师可以把驱动写得与硬件解耦，把硬件的信息填充到设备树中，驱动读取设备树的信息进行各种操作。

2. 控制器

这里以飞腾e2000为例子看看gpio控制器的驱动是怎么样的，在文件drivers/gpio/gpio-phytium-platform.c中，但是gpio的操作函数写在drivers/gpio/gpio-phytium-core.c和drivers/gpio/gpio-phytium-core.h中。

2.1 设备树

		gpio0: gpio@28034000 {
			compatible = "phytium,gpio";
			reg = <0x0 0x28034000 0x0 0x1000>;
			interrupts = <GIC_SPI 108 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 109 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 110 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 111 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 112 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 113 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 114 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 115 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 116 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 117 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 118 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 119 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 120 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 121 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 122 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
				     <GIC_SPI 123 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
			gpio-controller;
			#gpio-cells = <2>;
			#address-cells = <1>;
			#size-cells = <0>;

			porta {
				compatible = "phytium,gpio-port";
				reg = <0>;
				ngpios = <16>;
			};
		};

		gpio3: gpio@28037000 {
			compatible = "phytium,gpio";
			reg = <0x0 0x28037000 0x0 0x1000>;
			interrupts = <GIC_SPI 156 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
			gpio-controller;
			#gpio-cells = <2>;
			#address-cells = <1>;
			#size-cells = <0>;
			status = "disabled";

			porta {
				compatible = "phytium,gpio-port";
				reg = <0>;
				ngpios = <16>;
			};
		};

这里是gpio0和gpio3这个两个gpio模块，其实e2000有0到5，一共6个gpio模块，每个模块都有16个gpio，其中gpio0-2每个gpio都有一个硬件中断号，而gpio3-5则是这个组共享一个硬件中断号。当然，我看其他arm64的gpio都有复用功能，所以gpio的设备树写在pinctrl里面，现在e2000的gpio没有复用到其他模块，所以没有使用pinctrl。

2.2 驱动的数据结构

以我多年的驱动经验来看，所有的gpio控制器驱动做的事情不外乎以下几种：

  1. 分配私有数据结构体，这个结构体会包含struct gpio_chip结构体
  2. 读取设备树信息，填充gpio_chip结构体
  3. 把gpio_chip结构体绑定到平台设备中

实际上gpio的驱动跟中断和pinctrl放在一起的，初始化的时候会把irq_chip和 struct pinctrl_desc 和pinctrl_dev 一起填充的，这里主要讲解gpio，就不多扩展了。我们先看struct gpio_chip结构体：

struct gpio_chip {
	const char		*label;				//gpio控制器的名字
	struct gpio_device	*gpiodev;		//gpio设备描述符
	struct device		*parent;		//gpio的父设备
	struct module		*owner;

	//下面是一系列的操作函数
	int	 (*get_direction)(struct gpio_chip *gc,unsigned int offset);
	int	 (*direction_input)(struct gpio_chip *gc,unsigned int offset);
	int  (*direction_output)(struct gpio_chip *gc,unsigned int offset, int value);
	int	 (*get)(struct gpio_chip *gc,unsigned int offset);
	void (*set)(struct gpio_chip *gc,unsigned int offset, int value);

	int			base;		//gpio引脚基值
	u16			ngpio;		//gpio引脚个数
	const char		*const *names;		//每一个引脚的名字
	bool			can_sleep;			//控制器是否能睡眠

	void __iomem *reg_dat;			//gpio数据寄存器基地址
	void __iomem *reg_set;			//gpio设置寄存器基地址
	void __iomem *reg_clr;			//gpio控制寄存器基地址
	void __iomem *reg_dir_out;		//gpio输出寄存器基地址
	void __iomem *reg_dir_in;		//gpio输入寄存器基地址
};

gpio_chip结构体中包含了对应GPIO端口的硬件基地址、引脚数、GPIO组数、GPIO编号和IRQ号等重要信息。同时，它还包括了访问GPIO寄存器的函数指针，例如读取和写入寄存器等函数，以及描述GPIO的信息和配置的特定标志。其中最重要的是struct gpio_device *gpiodev; 他表示gpio设备描述符。这个结构体存放着gpio控制器的设备信息和每个引脚的描述符结构体，我们来看看struct gpio_device结构体：

struct gpio_device {
	int			id;				//表示这是系统中第几个GPIO控制器
	struct device		dev;
	struct cdev		chrdev;
	struct device		*mockdev;
	struct module		*owner;
	struct gpio_chip	*chip;		//gpio管理硬件的结构体，记录寄存器信息及其操作函数
	struct gpio_desc	*descs;		//引脚的描述符指针，每一个引脚对应一个gpio_desc结构体
	int			base;				//gpio号码基值
	u16			ngpio;				//gpio个数
	const char		*label;			//gpio控制器的名字
	void			*data;
	struct list_head        list;
	struct blocking_notifier_head notifier;
};

gpio_device结构体中包含了与GPIO设备（GPIO控制器）相关的重要信息，例如GPIO控制器ID、GPIO号、GPIO个数、GPIO管理硬件的结构体和gpio引脚描述符结构体。最重要的是GPIO管理硬件的结构体gpio_chip 就是刚刚第一个介绍的数据结构，gpio设备是通过gpio_chip 找到对用的硬件信息和操作方法的；其次是gpio_desc结构体，每一个引脚对应一个gpio_desc结构体，他们通过数组的形式排列，我们看看gpio_desc结构体：

struct gpio_desc {
	struct gpio_device	*gdev;		//属于哪个GPIO控制器
	unsigned long		flags;		//gpio引脚属性，比如是否被使用、是否开漏等等
	
	/* Connection label */
	const char		*label;
	/* Name of the GPIO */
	const char		*name;			//引脚名字
#ifdef CONFIG_OF_DYNAMIC
	struct device_node	*hog;
#endif
#ifdef CONFIG_GPIO_CDEV
	/* debounce period in microseconds */
	unsigned int		debounce_period_us;
#endif
};

gpio_desc结构体主要记录GPIO引脚的硬件信息和状态信息。

在这里插入图片描述
这3个结构体的关系如上图所示，以上这3个结构体就包含了gpio控制器的硬件信息、状态信息和操作方法集合，这就我们的设备驱动提供了底层的基础，我们的驱动就是通过gpiolib抽象层提供的API调用到这个操作方法的。

3. 设备驱动

在控制器驱动准备好的情况下，我们使用gpio是一件很简单的事情，就拿es8336这个网卡驱动举个例子，先看设备树：

	mio14: i2c@28030000 {
...
		codec0:es8336@10 {
			det-gpios = <&gpio2 5 0>;
			sel-gpios = <&gpio2 6 0>;
...
	   };
	};

其中gpio的设备树就两行，其他不重要的就忽略了。
驱动文件在sound/soc/codecs/es8336.c：

	es8336->spk_ctl_gpio = devm_gpiod_get_index_optional(&i2c->dev, "sel", 0,
							GPIOD_OUT_HIGH);
	ret = of_property_read_u8(i2c->dev.of_node, "mic-src", &es8336->mic_src);
	if (ret != 0) {
		dev_dbg(&i2c->dev, "mic1-src return %d", ret);
		es8336->mic_src = 0x20;
	}
	dev_dbg(&i2c->dev, "mic1-src %x", es8336->mic_src);

	if (!es8336->spk_ctl_gpio)
		dev_info(&i2c->dev, "Can not get spk_ctl_gpio\n");
	else
		es8336_enable_spk(es8336, false);

	es8336->hp_det_gpio = devm_gpiod_get_index_optional(&i2c->dev, "det", 0,
							GPIOD_IN);

	if (!es8336->hp_det_gpio) {
		dev_info(&i2c->dev, "Can not get hp_det_gpio\n");
	} else {
		INIT_DELAYED_WORK(&es8336->work, hp_work);
		hp_irq = gpiod_to_irq(es8336->hp_det_gpio);
		ret = devm_request_threaded_irq(&i2c->dev, hp_irq, NULL,
						es8336_irq_handler,
						IRQF_TRIGGER_FALLING |
						IRQF_TRIGGER_RISING |
						IRQF_ONESHOT,
						"es8336_interrupt", es8336);
		if (ret < 0) {
			dev_err(&i2c->dev, "request_irq failed: %d\n", ret);
			return ret;
		}
	}

其实设备驱动都是使用gpiolib提供的API：

  1. gpiod_get_indexed：通过索引号获取GPIO设备引脚。
  2. gpiod_get_optional：尝试获取GPIO设备引脚，如果失败返回NULL，不会导致注册失败。
  3. gpiod_get_optional_indexed：与gpiod_get_optional类似，但通过索引号获取GPIO设备引脚。
  4. gpiod_get_raw：通过GPIO编号获取GPIO设备引脚，不进行方向和值的配置。
  5. devm_gpiod_get：这个函数自动为一个特定的设备申请所需的GPIO，不需要手动释放，适合临时使用的GPIO资源。
  6. devm_gpiod_get_index：这个函数允许为使用多个GPIO的设备申请多个GPIO引脚，返回一个struct gpiod_hanlde数组。
  7. devm_gpiod_get_optional：如果存在，允许驱动程序获取所需的GPIO，而不会阻止设备与其余的GPIO资源一起初始化。
  8. devm_gpiod_get_optional_index：类似于devm_gpiod_get_optional，支持索引GPIO。
  9. gpio_request：向内核申请一个GPIO引脚。
  10. gpio_free：释放一个已经使用的GPIO引脚。
  11. gpio_direction_input：配置GPIO引脚为输入模式。
  12. gpio_direction_output：配置GPIO引脚为输出模式。
  13. gpio_get_value：读取GPIO引脚状态。如果 GPIO 引脚已配置为输出模式，则返回当前输出值。如果 GPIO 引脚未配置或配置为输入模式，则返回实际引脚上的输入值。
  14. gpio_set_value：设置GPIO引脚状态为高或低电平。如果 GPIO 引脚已配置为输出模式，则设置GPIO引脚状态为用户指定电平；如果 GPIO 引脚是输入模式，此函数没有作用。
  15. gpio_to_irq：将 GPIO 引脚转换为专用中断号。
  16. gpio_request_one：请求单个GPIO。
  17. gpio_free_array：释放一组由gpio_request_array()调用请求的GPIO。
  18. gpio_direction_input_array：将一组GPIO方向设置为输入模式。
  19. gpio_direction_output_array：将一组GPIO方向设置为输出模式。
  20. gpio_get_array：将一组GPIO值读入缓冲区中。
  21. gpio_set_array：将一组GPIO指定的值写入用户指定的缓冲区中。
  22. gpio_get_value_cansleep：读取GPIO引脚状态，如果引脚已配置为输出模式，则将与其关联的电平值复制到调用函数的参数变量中，如果引脚已配置为输入模式，则等待GPIO中断或超时发生后将其值复制到调用函数的参数变量中。
  23. gpio_set_value_cansleep：设置GPIO端口电平，如果引脚仍被配置为输入模式，则什么也不做。

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