linux内核中的GPIO系统之(1):软件框架

作者:linuxer 发布于:2014-7-21 14:40 分类:GPIO子系统

一、前言

作为一个工作多年的系统工程师,免不了做两件事情:培训新员工和给新员工分配任务。对于那些刚刚从学校出来的学生,一般在开始的时候总是分配一些非常简单的任务,例如GPIO driver、LED driver。往往CPU datasheet的关于GPIO或者IO ports的章节都是比较简单的,非常适合刚入行的工程师。虽然GPIO子系统相关的硬件比较简单,没有复杂的协议,不过,对于软件抽象而言,其分层次的软件思想是每个嵌入式软件工程师需要掌握的内容。

我更倾向使用GPIO系统这个名字来代替GPIO driver这个名字,GPIO driver仅仅包含了pin signal状态控制和读取的内容,而GPIO系统包括了pin multiplexing、pin configuration、GPIO control、GPIO interrupt control等内容。本文主要是以3.14内核作为例子,讲述linux kernel中GPIO系统的软件框架。

 

二、GPIO相关硬件有哪些差异

嵌入式工程师总是要处理各种各样的target board,每个target board上的GPIO总是存在不同,例如:

1、和CPU的连接方式不同

对于ARM的嵌入式硬件平台,SOC本身可以提供大量的IO port,SOC上的GPIO controller是通过SOC的总线(AMBA)连接到CPU的。对于嵌入式系统而言,除了SOC的IO port,一些外设芯片也可能会提供IO port,例如:

(1)有些key controller芯片、codec或者PMU的芯片会提供I/O port

(2)有些专用的IO expander芯片可以扩展16个或者32个GPIO

从硬件角度看,这些IO和SOC提供的那些IO完全不同,CPU和IO expander是通过I2C(也有可能是SPI等其他类型的bus)连接的,在这种情况下,访问这些SOC之外的GPIO需要I2C的操作,而控制SOC上的GPIO只需要写寄存器的操作。不要小看这个不同,写一个SOC memory map的寄存器非常快,但是通过I2C来操作IO就不是那么快了,甚至,如果总线繁忙有可能阻塞当前进程,这种情况下,内核同步机制必须有所区别(如果操作GPIO可能导致sleep,那么同步机制不能采用spinlock)。

2、访问方式不同

SOC片内的GPIO controller和SOC片外的IO expander的访问当然不一样,不过,即便都是SOC片内的GPIO controller,不同的ARM芯片,其访问方式也不完全相同,例如:有些SOC的GPIO controller会提供一个寄存器来控制输出电平。向寄存器写1就是set high,向寄存器写0就是set low。但是有些SOC的GPIO controller会提供两个寄存器来控制输出电平。向其中一个寄存器写一就是set high,向另外一个寄存器写一就是set low。

3、配置方式不同

即便是使用了同样的硬件(例如都使用同样的某款SOC),不同硬件系统上GPIO的配置不同。在一个系统上配置为输入,在另外的系统上可能配置为输出。

4、GPIO特性不同。这些特性包括:

(1)是否能触发中断。对一个SOC而言,并非所有的IO port都支持中断功能,可能某些处理器只有一两组GPIO有中断功能。

(2)如果能够触发中断,那么该GPIO是否能够将CPU从sleep状态唤醒

(3)有些有软件可控的上拉或者下拉电阻的特性,有的GPIO不支持这种特性。在设定为输入的时候,有的GPIO可以设定debouce的算法,有的则不可以。

5、多功能复用

有的GPIO就是单纯的作为一个GPIO出现,有些GPIO有其他的复用的功能。例如IO expander上的GPIO只能是GPIO,但是SOC上的某个GPIO除了做普通的IO pin脚,还可以是SPI上clock信号线。

 

三、硬件功能分类

ARM based SOC的datasheet中总有一个章节叫做GPIO controller(或者I/O ports)的章节来描述如何配置、使用SOC的引脚。虽然GPIO controller的硬件描述中充满了大量的寄存器的描述,但是这些寄存器的功能大概分成下面三个类别:

1、有些硬件逻辑是和IO port本身的功能设定相关的,我们称这个HW block为pin controller。软件通过设定pin controller这个硬件单元的寄存器可以实现:

(1)引脚功能配置。例如该I/O pin是一个普通的GPIO还是一些特殊功能引脚(例如memeory bank上CS信号)。

(2)引脚特性配置。例如pull-up/down电阻的设定,drive-strength的设定等。

2、如果一组GPIO被配置成SPI,那么这些pin脚被连接到了SPI controller,如果配置成GPIO,那么控制这些引脚的就是GPIO controller。通过访问GPIO controller的寄存器,软件可以:

(1)配置GPIO的方向

(2)如果是输出,可以配置high level或者low level

(3)如果是输入,可以获取GPIO引脚上的电平状态

3、如果一组gpio有中断控制器的功能,虽然控制寄存器在datasheet中的I/O ports章节描述,但是实际上这些GPIO已经被组织成了一个interrupt controller的硬件block,它更像是一个GPIO type的中断控制器,通过访问GPIO type的中断控制器的寄存器,软件可以:

(1)中断的enable和disable(mask和unmask)

(2)触发方式

(3)中断状态清除

 

四、如何通过软件抽象来掩盖硬件差异

传统的GPIO driver是负责上面三大类的控制,而新的linux kernel中的GPIO subsystem则用三个软件模块来对应上面三类硬件功能:

(1)pin control subsystem。驱动pin controller硬件的软件子系统。

(2)GPIO subsystem。驱动GPIO controller硬件的软件子系统。

(3)GPIO interrupt chip driver。这个模块是作为一个interrupt subsystem中的一个底层硬件驱动模块存在的。本文主要描述前两个软件模块,具体GPIO interrupt chip driver以及interrupt subsystem请参考本站其他相关文档。

1、pin control subsystem block diagram

下图描述了pin control subsystem的模块图:

pinctrl

底层的pin controller driver是硬件相关的模组,初始化的时候会向pin control core模块注册pin control设备(通过pinctrl_register这个bootom level interface)。pin control core模块是一个硬件无关模块,它抽象了所有pin controller的硬件特性,仅仅从用户(各个driver就是pin control subsystem的用户)角度给出了top level的接口函数,这样,各个driver不需要关注pin controller的底层硬件相关的内容。

 

2、GPIO subsystem block diagram

下图描述了GPIO subsystem的模块图:

gpio

基本上这个软件框架图和pin control subsystem是一样的,其软件抽象的思想也是一样的,当然其内部具体的实现不一样,我们会在后续的文章中描述。


原创文章,转发请注明出处。蜗窝科技http://www.wowotech.net/io-port-control.html

标签: GPIO 软件框架

评论:

bigpillow
2017-11-13 11:05
Hi Linuxer,
我们这边有写一套完整的GPIO & pinctrl driver.,
但是一直没有找到很好的压测方案,
不知大神可否为测试整套GPIO function (大概200 pins)提供下思路
感谢~
你想得美
2017-11-16 16:05
@bigpillow:你想得美
wowo
2017-11-16 21:28
@你想得美:呵呵,还真没听过压测GPIO和pinctrl的,它们一般比较稳定,覆盖测一遍,对了就对了,不大可能还会出错。
hongxiaoh
2017-01-14 19:56
你好,请问下,安卓linux 在kernel的键值表在哪里呢?
hongxiaoh
2017-01-14 20:00
@hongxiaoh:linux,code = <> 里对应的键值表。
wowo
2017-01-16 09:13
@hongxiaoh:不太明白您这里指的是什么。您可以把代码的前因后果贴出来。
higari
2016-12-06 16:16
博主你好,我又来了。我有一个疑问特来请教(关于gpio的suspend/reusme)

我在my-gpio.c里写了两个函数
1.my_gpio_suspend
做的工作主要是把HW寄存器的值存入dir和data中。
2.my_gpio_resume
与suspend相反,把dir和data保存的值写回HW寄存器

执行步骤如下
echo 18 > /sys/class/gpio
echo out > /sys/class/gpio/gpio18/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio18/value
然后控制sys/power/state实现suspend/resume

于是问题是这样的:
resume后,上面做的这些设定(18,out,1)还会存在吗

因为手头上没有试验环境,上面又急着要设计方案。所以在此求助(没有实机摆弄的项目真是郁闷)
wowo
2016-12-06 17:03
@higari:应该没有问题。
higari
2016-12-06 18:01
@wowo:好的,谢谢啦。
另外,为什么你回复的那么快啊,一直盯着博客么
wowo
2016-12-06 21:54
@higari:不客气,要注意suspend的时候ram不能掉电,否则变量里面保存的东西会丢。
PS:作为一个嵌入式工程师,怎么允许busy loop(一直盯着博客么)呢?怎么说也要中断触发(邮件提醒),否则定时器查询(偶尔看一下)啊!哈哈~~
higari
2016-11-24 09:55
>总结的非常好啊,感谢你的分享
和博主的分享比起来真实微不足道,看了很多博主的文章受益匪浅。

博主要是有时间的话,能不能讲讲IOMMU,特别是核心IOMMU.C和ARM-SMMU.C这个驱动。最近要做ARM-SMMU.C的测试。没接触过这玩意,测试条目不知道怎么写了,正在啃那个300多页的HW MANUAL,英语苦手,看不太懂
wowo
2016-11-24 10:18
@higari:以前有过一段时间我也想了解一下iommu,不过后来由于自己的外设的MMU做的不标准,就自己写了一个简单的,没有用kernel标准的框架。虽然想写,苦于没时间。不知道linuxer同学有时间写不。
linuxer
2016-11-24 10:38
@wowo:写就写吧,反正最近一直酝酿一篇DMA mapping framework的文档,中间会涉及iommu的东西,但是不会太多的纠缠iommu的细节。
wowo
2016-11-24 10:41
@linuxer:哈哈,不错,期待~~~
higari
2016-11-21 11:18
博主你好,想请问一个问题
如果设置为输入口之后,进行gpio_set_value操作会发生什么?
gpiolib有没有对于这种user space的误操作情况采取什么手段。
网上查了查,没有什么头绪,所以想请教一下,嘿嘿
wowo
2016-11-21 11:32
@higari:直接看一下代码,答案应该很快就出来了,然后顺便给我们分享一下:-)
higari
2016-11-22 15:31
@wowo:>gpiolib有没有对于这种user space的误操作情况采取什么手段。
我直接看了gpiolib.c的代码,
_gpiod_set_raw_value
gpiod_set_raw_value
gpiod_set_value
这三个函数都没有check gpio的方向

>如果设置为输入口之后,进行gpio_set_value操作会发生什么?
我觉得对于设置为输入的gpio进行gpio_set_value操作,只是对它的输出端口的值进行设定,而不会影响gpio_get_value的结果,因为读的值是输入端口的值。
一个简单的例子就是gpio-rcar.c,他的gpio作为输入时和输出时,同样是gpio_get_value函数,但读取的寄存器是不一样的。
当gpio作为输入时,读取portin的值,输出时,读取portout.
另外不论gpio方向是输入还是输出,gpio_set_value都是对portout进行操作。
所以回到一开始的问题,方向设置为输入的gpio而言,gpio_set_value改变了是portout,而对于你真正想读取的portin并没有影响,当你再使用gpio_get_value时,总能读到你想要的正确的值。

以上有什么错误望指正,有别的疑问可以一起探讨,谢谢拉
wowo
2016-11-22 16:07
@higari:总结的非常好啊,感谢你的分享!~~
所以kernel没有做任何处理,也是合理的了:-)
emeralddream
2016-05-11 11:27
博主你好,gpio DTS 的配置中的宏定义有什么作用一直无法理解。
比如:
irq_gpio = <&gpio3 GPIO_A2 GPIO_ACTIVE_LOW>;这里 GPIO_ACTIVE_LOW 说明了低电平有效。

在驱动里首先会 gpio_request()获取资源。然后 gpio_direction_input/output(),gpio_set_value()这2个 API去将 gpio 拉高 拉低。那么 DTS
emeralddream
2016-05-11 11:28
@emeralddream:里的 GPIO_ACTIVE_LOW 究竟在解析的时候起到了说明作用?是不是对初始值有影响?
emeralddream
2016-05-11 11:28
@emeralddream:里的 GPIO_ACTIVE_LOW 究竟在解析的时候起到了说明作用?是不是对初始值有影响?
wowo
2016-05-11 13:11
@emeralddream:解析的时候没有什么用,就是把这个flag保存下来。
然后在后面使用的时候,比如xxx_power_enable,可以根据gpio的GPIO_ACTIVE_LOW flag,决定是把gpio拉低还是拉高。
emeralddream
2016-05-11 13:22
@wowo:你所说的后面就是DTS里面?
tom
2015-09-22 15:08
pin control subsystem 和 gpio subsystem 有什么区别,
emeralddream
2016-03-31 09:04
@tom:个人理解 PINCTRL更高级吧,涉及到了pimux。目前gpio子系统只保留了API。具体的回调函数已经全部移到pinctrl子系统中去了。
emeralddream
2016-03-31 09:04
@tom:个人理解 PINCTRL更高级吧,涉及到了pimux。目前gpio子系统只保留了API。具体的回调函数已经全部移到pinctrl子系统中去了。
xie1230
2015-08-27 17:31
作者真的很牛,佩服,收藏了
fucker
2015-07-27 09:08
hi  linuxer:

     在先拜读文章前,先让我先表达下,小弟对你的崇拜~!!!
    
   (__) 
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RRR
2015-06-24 16:54
哎 博主好久没有更新了...GPIO & Pinctrl & IRQ 看了一半就断层了...
好多东西不能联系到一起,好纠结
希望博主有机会能继续完结整个GPIO
wowo
2015-06-25 19:56
@RRR:Linuxer同学这一段时间有点忙,相信他很快就会回归的。

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