Kernel 中的 GPIO 定義和控制

最近要深一步用到GPIO口控制，寫個博客記錄下Kernel層的GPIO學習過程！

 

一、概念

     General Purpose Input Output （通用輸入/輸出）簡稱為GPIO，或 總線擴展器。也就是芯片的引腳，當微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當系統需要采用遠端串行通信或控制時，GPIO產品能夠提供額外的控制和監視功能。通常在ARM里，所有I/O都是通用的，

每個GPIO端口包含8個管腳，如PA端口是PA0～PA7,而且GPIO口至少有兩個寄存器，即"通用IO控制寄存器"與"通用IO數據寄存器"。數據寄存器的各位都直接引到芯片外部，而對這種寄存器中每一位的作用，即每一位的信號流通方向，則可以通過控制寄存器中對應位獨立地加以設置。比如，可以設置某個引腳的屬性為輸入、輸出或其他特殊功能。

常用的應該是：高阻輸入、推挽輸出、開漏輸出。

通俗理解為 ：

高阻輸入—— 保持高阻抗狀態，徹底斷開輸出，避免干擾，對總線狀態不起作用，此時總線可由其他器件占用。

推挽輸出——可以輸出高,低電平,連接數字器件。

開漏輸出——輸出端相當於三極管的集電極. 要得到高電平狀態需要上拉電阻才行。

軟件上就是通過設置IO口的模式，然后控制IO的上拉下拉，寫入對應寄存器，通過寄存器控制電路：

上拉寄存器是控制對應端口上拉使能(DE)的。當對應位為0時，設置對應引腳上拉使能，為1時，禁止對應引腳上拉使能。如果上拉寄存器使能，無論引腳功能寄存器如何設置（輸入，輸出，數據，中斷等），對應引腳輸出高電平。

上拉是一個電阻接到一個電壓，其實就是增強IO的驅動能力，IO口是高電平。
下拉是一個電阻接到地，保證IO口是低電平。

 

 

二、kernel層調用接口實現

GPIO操作，在Kernel 2.6.32版本以上提供了gpio口管理的庫文件/kernel/drivers/gpio/gpiolib.c，里面就是我們需要的接口函數實現！

幾個主要的方法：

申請一個pin腳作為gpio口，命名為 * label,如果經過判斷空閑的 申請成功了做一些初始的bit位設置。

int gpio_request(unsigned gpio, const char *label)
{
struct gpio_desc	*desc;
struct gpio_chip	*chip;
int	 status = -EINVAL;
unsigned long	 flags;

spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);
...
if (test_and_set_bit(FLAG_REQUESTED, &desc->flags) == 0)
...
}

釋放這個gpio口，還原bit。

 

void gpio_free(unsigned gpio)
{
	unsigned long		flags;
	struct gpio_desc	*desc;
	struct gpio_chip	*chip;


	might_sleep();
...
clear_bit(FLAG_ACTIVE_LOW, &desc->flags);
clear_bit(FLAG_REQUESTED, &desc->flags);
clear_bit(FLAG_OPEN_DRAIN, &desc->flags);
clear_bit(FLAG_OPEN_SOURCE, &desc->flags);
...
}

 

 

設置gpio口為輸入模式：

int gpio_direction_input(unsigned gpio)
{
	unsigned long		flags;
	struct gpio_chip	*chip;
	struct gpio_desc	*desc = &gpio_desc[gpio];
	int			status = -EINVAL;


	spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);
	if (!gpio_is_valid(gpio))
		goto fail;
	chip = desc->chip;
...
	status = chip->direction_input(chip, gpio);
...
}

其中的chip->direction_input(chip, gpio)為實現！

 

設置gpio口為輸出模式 value為初始值 0為高電平/1為低電平：

 

int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value)
{
	unsigned long		flags;
	struct gpio_chip	*chip;
	struct gpio_desc	*desc = &gpio_desc[gpio];
	int			status = -EINVAL;


	/* Open drain pin should not be driven to 1 */
	if (value && test_bit(FLAG_OPEN_DRAIN,  &desc->flags))
		return gpio_direction_input(gpio);
...
	status = chip->direction_output(chip, gpio, value);
...
}

 

其中的chip->direction_output(chip, gpio, value)為實現！

 

 

設置gpio口的值：

 

void __gpio_set_value(unsigned gpio, int value)
{
	struct gpio_chip	*chip;

	chip = gpio_to_chip(gpio);
	WARN_ON(chip->can_sleep);
	trace_gpio_value(gpio, 0, value);
	if (test_bit(FLAG_OPEN_DRAIN,  &gpio_desc[gpio].flags))
		_gpio_set_open_drain_value(gpio, chip, value);
	else if (test_bit(FLAG_OPEN_SOURCE,  &gpio_desc[gpio].flags))
		_gpio_set_open_source_value(gpio, chip, value);
	else
		chip->set(chip, gpio - chip->base, value);
}

獲取gpio口的值：

 

int __gpio_get_value(unsigned gpio)
{
	struct gpio_chip	*chip;
	int value;

	chip = gpio_to_chip(gpio);
	WARN_ON(chip->can_sleep);
	value = chip->get ? chip->get(chip, gpio - chip->base) : 0;
	trace_gpio_value(gpio, 1, value);
	return value;
}

 

 對於有些掛載在I2C，SPI總線上的擴展GPIO，讀寫操作可能會導致睡眠，因此不能在中斷函數中
  使用。使用下面的函數以區別於正常的GPIO

 

  int gpio_get_value_cansleep(unsigned gpio);//讀GPIO
  void gpio_set_value_cansleep(unsigned gpio, int value);//寫GPIO

 

 

三、gpiolib.c關聯芯片接口

 

以上為gpiolib.c的基本方法都是向下調用到對應芯片的gpio實現！

所以每個方法里面的實現都是通過 struct gpio_chip*chip 這個指針調用結構體中關聯的相關接口！

 

下面是gplolib怎么關聯到特定的芯片（mach-at91）的幾個主要方法：

mach-at91的/kernel/arch/arm/mach-at91/gpio.c中的

 

static struct at91_gpio_chip gpio_chip[] = {
	AT91_GPIO_CHIP("A", 0x00 + PIN_BASE, 32),
	AT91_GPIO_CHIP("B", 0x20 + PIN_BASE, 32),
	AT91_GPIO_CHIP("C", 0x40 + PIN_BASE, 32),
	AT91_GPIO_CHIP("D", 0x60 + PIN_BASE, 32),
	AT91_GPIO_CHIP("E", 0x80 + PIN_BASE, 32),
};

 

gpiolib.c中的接口與mach-at91函數接口對應關系如下：

 

#define AT91_GPIO_CHIP(name, base_gpio, nr_gpio)			\
	{								\
		.chip = {						\
			.label		  = name,			\
			.direction_input  = at91_gpiolib_direction_input, \
			.direction_output = at91_gpiolib_direction_output, \
			.get		  = at91_gpiolib_get,		\
			.set		  = at91_gpiolib_set,		\
			.dbg_show	  = at91_gpiolib_dbg_show,	\
			.base		  = base_gpio,			\
			.ngpio		  = nr_gpio,			\
		},							\
	}

從上面可以看到 在gpiolib.c中的方法調用芯片（mach-at91）的映射關系：

比如：gpio_direction_output() 設置gpio口為輸出模式中最終的實現調用chip->direction_output(chip, gpio, value)。

從上面可以看出來，也就是調用mach-at91的at91_gpiolib_direction_output()!

其它的類似。

 

 

gpiolib.c中的

 

int gpiochip_add(struct gpio_chip *chip)
{
	unsigned long	flags;
	int		status = 0;
	unsigned	id;
	int		base = chip->base;


	if ((!gpio_is_valid(base) || !gpio_is_valid(base + chip->ngpio - 1))
			&& base >= 0) {
		status = -EINVAL;
		goto fail;
	}


	spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);
....
}

 

添加到結構體：

 

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_RESERVED	2
...
}

這就保存到了 chip 指針。

這一部分在Kernel初始化的時候調用執行！

 

 

 

四、芯片（mach-at91）gpio口的接口

由gpiolib.c根據映射調用對應接口

 

static int at91_gpiolib_direction_output(struct gpio_chip *chip,
					 unsigned offset, int val)
{
	struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);
	void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;
	unsigned mask = 1 << offset;

	__raw_writel(mask, pio + (val ? PIO_SODR : PIO_CODR));
	__raw_writel(mask, pio + PIO_OER);
	return 0;
}

定義為輸出模式，初始設置val 上拉還是下拉 ， 寫入數據寄存器。

 

#define PIO_SODR	0x30	/* Set Output Data Register */
#define PIO_CODR	0x34	/* Clear Output Data Register */
#define PIO_ODR	 0x14	/* Output Disable Register */
#define PIO_PDSR	 0x3c	/* Pin Data Status Register */

 

同樣設置為輸入：

 

static int at91_gpiolib_direction_input(struct gpio_chip *chip,
					unsigned offset)
{
	struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);
	void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;
	unsigned mask = 1 << offset;

	__raw_writel(mask, pio + PIO_ODR);
	return 0;
}

 

 

設置GPIO口的value 值 0或者1,已經設置為輸出模式下：

static void at91_gpiolib_set(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int val)
{
	struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);
	void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;
	unsigned mask = 1 << offset;

	__raw_writel(mask, pio + (val ? PIO_SODR : PIO_CODR));
}

 

讀寄存器獲取該GPIO口的值：

 

static int at91_gpiolib_get(struct gpio_chip *chip, unsigned offset)
{
	struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);
	void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;
	unsigned mask = 1 << offset;
	u32 pdsr;

	pdsr = __raw_readl(pio + PIO_PDSR);
	return (pdsr & mask) != 0;
}

 

大體流程就這樣了。

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