最近要深一步用到GPIO口控制，写个博客记录下Kernel层的GPIO学习过程

最近要深一步用到GPIO口控制，写个博客记录下Kernel层的GPIO学习过程！

一、概念

     General Purpose Input Output （通用输入/输出）简称为GPIO，或 总线扩展器。也就是芯片的引脚，当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能。通常在ARM里，所有I/O都是通用的，

每个GPIO端口包含8个管脚，如PA端口是PA0～PA7,而且GPIO口至少有两个寄存器，即"通用IO控制寄存器"与"通用IO数据寄存器"。数据寄存器的各位都直接引到芯片外部，而对这种寄存器中每一位的作用，即每一位的信号流通方向，则可以通过控制寄存器中对应位独立地加以设置。比如，可以设置某个引脚的属性为输入、输出或其他特殊功能。

常用的应该是：高阻输入、推挽输出、开漏输出。

通俗理解为 ：

高阻输入—— 保持高阻抗状态，彻底断开输出，避免干扰，对总线状态不起作用，此时总线可由其他器件占用。

推挽输出——可以输出高,低电平,连接数字器件。

开漏输出——输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行。

软件上就是通过设置IO口的模式，然后控制IO的上拉下拉，写入对应寄存器，通过寄存器控制电路：

上拉寄存器是控制对应端口上拉使能(DE)的。当对应位为0时，设置对应引脚上拉使能，为1时，禁止对应引脚上拉使能。如果上拉寄存器使能，无论引脚功能寄存器如何设置（输入，输出，数据，中断等），对应引脚输出高电平。

上拉是一个电阻接到一个电压，其实就是增强IO的驱动能力，IO口是高电平。
下拉是一个电阻接到地，保证IO口是低电平。

二、kernel层调用接口实现

GPIO操作，在Kernel 2.6.32版本以上提供了gpio口管理的库文件/kernel/drivers/gpio/gpiolib.c，里面就是我们需要的接口函数实现！

几个主要的方法：

申请一个pin脚作为gpio口，命名为 * label,如果经过判断空闲的 申请成功了做一些初始的bit位设置。

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1. int gpio_request(unsigned gpio, const char *label)  
2. {  
3. struct gpio_desc    *desc;  
4. struct gpio_chip    *chip;  
5. int  status = -EINVAL;  
6. unsigned long    flags;  
7.   
8. spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);  
9. ...  
10. if (test_and_set_bit(FLAG_REQUESTED, &desc->flags) == 0)  
11. ...  
12. }  

释放这个gpio口，还原bit。

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1. void gpio_free(unsigned gpio)  
2. {  
3.     unsigned long       flags;  
4.     struct gpio_desc    *desc;  
5.     struct gpio_chip    *chip;  
6.   
7.   
8.     might_sleep();  
9. ...  
10. clear_bit(FLAG_ACTIVE_LOW, &desc->flags);  
11. clear_bit(FLAG_REQUESTED, &desc->flags);  
12. clear_bit(FLAG_OPEN_DRAIN, &desc->flags);  
13. clear_bit(FLAG_OPEN_SOURCE, &desc->flags);  
14. ...  
15. }  

设置gpio口为输入模式：

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1. int gpio_direction_input(unsigned gpio)  
2. {  
3.     unsigned long       flags;  
4.     struct gpio_chip    *chip;  
5.     struct gpio_desc    *desc = &gpio_desc[gpio];  
6.     int         status = -EINVAL;  
7.   
8.   
9.     spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);  
10.     if (!gpio_is_valid(gpio))  
11.         goto fail;  
12.     chip = desc->chip;  
13. ...  
14.     status = chip->direction_input(chip, gpio);  
15. ...  
16. }  

其中的chip->direction_input(chip, gpio)为实现！

设置gpio口为输出模式 value为初始值 0为高电平/1为低电平：

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1. int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value)  
2. {  
3.     unsigned long       flags;  
4.     struct gpio_chip    *chip;  
5.     struct gpio_desc    *desc = &gpio_desc[gpio];  
6.     int         status = -EINVAL;  
7.   
8.   
9.     /* Open drain pin should not be driven to 1 */  
10.     if (value && test_bit(FLAG_OPEN_DRAIN,  &desc->flags))  
11.         return gpio_direction_input(gpio);  
12. ...  
13.     status = chip->direction_output(chip, gpio, value);  
14. ...  
15. }  

其中的chip->direction_output(chip, gpio, value)为实现！

设置gpio口的值：

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1. void __gpio_set_value(unsigned gpio, int value)  
2. {  
3.     struct gpio_chip    *chip;  
4.   
5.     chip = gpio_to_chip(gpio);  
6.     WARN_ON(chip->can_sleep);  
7.     trace_gpio_value(gpio, 0, value);  
8.     if (test_bit(FLAG_OPEN_DRAIN,  &gpio_desc[gpio].flags))  
9.         _gpio_set_open_drain_value(gpio, chip, value);  
10.     else if (test_bit(FLAG_OPEN_SOURCE,  &gpio_desc[gpio].flags))  
11.         _gpio_set_open_source_value(gpio, chip, value);  
12.     else  
13.         chip->set(chip, gpio - chip->base, value);  
14. }  

获取gpio口的值：

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1. int __gpio_get_value(unsigned gpio)  
2. {  
3.     struct gpio_chip    *chip;  
4.     int value;  
5.   
6.     chip = gpio_to_chip(gpio);  
7.     WARN_ON(chip->can_sleep);  
8.     value = chip->get ? chip->get(chip, gpio - chip->base) : 0;  
9.     trace_gpio_value(gpio, 1, value);  
10.     return value;  
11. }  

 对于有些挂载在I2C，SPI总线上的扩展GPIO，读写操作可能会导致睡眠，因此不能在中断函数中
  使用。使用下面的函数以区别于正常的GPIO

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1. int gpio_get_value_cansleep(unsigned gpio);//读GPIO  
2. void gpio_set_value_cansleep(unsigned gpio, int value);//写GPIO  

三、gpiolib.c关联芯片接口

以上为gpiolib.c的基本方法都是向下调用到对应芯片的gpio实现！

所以每个方法里面的实现都是通过 struct gpio_chip*chip 这个指针调用结构体中关联的相关接口！

下面是gplolib怎么关联到特定的芯片（mach-at91）的几个主要方法：

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

[cpp] view plain copy print?

1. static struct at91_gpio_chip gpio_chip[] = {  
2.     AT91_GPIO_CHIP("A", 0x00 + PIN_BASE, 32),  
3.     AT91_GPIO_CHIP("B", 0x20 + PIN_BASE, 32),  
4.     AT91_GPIO_CHIP("C", 0x40 + PIN_BASE, 32),  
5.     AT91_GPIO_CHIP("D", 0x60 + PIN_BASE, 32),  
6.     AT91_GPIO_CHIP("E", 0x80 + PIN_BASE, 32),  
7. };  

gpiolib.c中的接口与mach-at91函数接口对应关系如下：

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1. #define AT91_GPIO_CHIP(name, base_gpio, nr_gpio)            \  
2.     {                               \  
3.         .chip = {                       \  
4.             .label        = name,           \  
5.             .direction_input  = at91_gpiolib_direction_input, \  
6.             .direction_output = at91_gpiolib_direction_output, \  
7.             .get          = at91_gpiolib_get,       \  
8.             .set          = at91_gpiolib_set,       \  
9.             .dbg_show     = at91_gpiolib_dbg_show,  \  
10.             .base         = base_gpio,          \  
11.             .ngpio        = nr_gpio,            \  
12.         },                          \  
13.     }  

从上面可以看到 在gpiolib.c中的方法调用芯片（mach-at91）的映射关系：

比如：gpio_direction_output() 设置gpio口为输出模式中最终的实现调用chip->direction_output(chip, gpio, value)。

从上面可以看出来，也就是调用mach-at91的at91_gpiolib_direction_output()!

其它的类似。

gpiolib.c中的

[cpp] view plain copy print?

1. int gpiochip_add(struct gpio_chip *chip)  
2. {  
3.     unsigned long   flags;  
4.     int     status = 0;  
5.     unsigned    id;  
6.     int     base = chip->base;  
7.   
8.   
9.     if ((!gpio_is_valid(base) || !gpio_is_valid(base + chip->ngpio - 1))  
10.             && base >= 0) {  
11.         status = -EINVAL;  
12.         goto fail;  
13.     }  
14.   
15.   
16.     spin_lock_irqsave(&gpio_lock, flags);  
17. ....  
18. }  

添加到结构体：

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1. struct gpio_desc {  
2.     struct gpio_chip    *chip;  
3.     unsigned long       flags;  
4. /* flag symbols are bit numbers */  
5. #define FLAG_REQUESTED  0  
6. #define FLAG_IS_OUT 1  
7. #define FLAG_RESERVED   2  
8. ...  
9. }  

这就保存到了 chip 指针。

这一部分在Kernel初始化的时候调用执行！

四、芯片（mach-at91）gpio口的接口

由gpiolib.c根据映射调用对应接口

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1. static int at91_gpiolib_direction_output(struct gpio_chip *chip,  
2.                      unsigned offset, int val)  
3. {  
4.     struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);  
5.     void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;  
6.     unsigned mask = 1 << offset;  
7.   
8.     __raw_writel(mask, pio + (val ? PIO_SODR : PIO_CODR));  
9.     __raw_writel(mask, pio + PIO_OER);  
10.     return 0;  
11. }  

定义为输出模式，初始设置val 上拉还是下拉 ， 写入数据寄存器。

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

同样设置为输入：

[cpp] view plain copy print?

1. static int at91_gpiolib_direction_input(struct gpio_chip *chip,  
2.                     unsigned offset)  
3. {  
4.     struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);  
5.     void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;  
6.     unsigned mask = 1 << offset;  
7.   
8.     __raw_writel(mask, pio + PIO_ODR);  
9.     return 0;  
10. }  

设置GPIO口的value 值 0或者1,已经设置为输出模式下：

[cpp] view plain copy print?

1. static void at91_gpiolib_set(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int val)  
2. {  
3.     struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);  
4.     void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;  
5.     unsigned mask = 1 << offset;  
6.   
7.     __raw_writel(mask, pio + (val ? PIO_SODR : PIO_CODR));  
8. }  

读寄存器获取该GPIO口的值：

[cpp] view plain copy print?

1. static int at91_gpiolib_get(struct gpio_chip *chip, unsigned offset)  
2. {  
3.     struct at91_gpio_chip *at91_gpio = to_at91_gpio_chip(chip);  
4.     void __iomem *pio = at91_gpio->regbase;  
5.     unsigned mask = 1 << offset;  
6.     u32 pdsr;  
7.   
8.     pdsr = __raw_readl(pio + PIO_PDSR);  
9.     return (pdsr & mask) != 0;  
10. }  

大体流程就这样了。

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