Linux内核中的GPIO系统之（3）：pin controller driver代码分析

一、前言

对于一个嵌入式软件工程师，我们的软件模块经常和硬件打交道，pin control subsystem也不例外，被它驱动的硬件叫做pin controller（一般ARM soc的datasheet会把pin controller的内容放入GPIO controller的章节中），主要功能包括：

（1）pin multiplexing。基于ARM core的嵌入式处理器一般会提供丰富的功能，例如camera interface、LCD interface、USB、I2C、SPI等等。虽然处理器有几百个pin，但是这些pin还是不够分配，因此有些pin需要复用。例如：127号GPIO可以做一个普通的GPIO控制LED，也可以配置成I2C的clock信号，也可以配置成SPI的data out信号。当然，这些功能不可能同时存在，因为硬件信号只有一个。

（2）pin configuration。这些配置参数包括：pull-up/down电阻的设定， tri-state设定，drive-strength的设定。

本文主要描述pin control subsystem中的low level driver，也就是驱动pin controller的driver。具体的硬件选用的是S3C2416的硬件平台。既然是代码分析，本文不是非常多的描述框架性的内容，关于整个pin control subsystem软件结构的描述请参考Linux内核中的GPIO系统之（2）。

阅读本文需要device tree的知识，建议首先阅读device tree代码分析。

二、pin controller相关的DTS描述

类似其他的硬件，pin controller这个HW block需要是device tree中的一个节点。此外，各个其他的HW block在驱动之前也需要先配置其引脚复用功能，因此，这些device（我们称pin controller是host，那么这些使用pin controller进行引脚配置的device叫做client device）也需要在它自己的device tree node中描述pin control的相关内容

1、S3C2416 pin controller DTS结构

下面的伪代码描述了S3C2416 pin controller 的DTS结构：

pinctrl@56000000 {
定义S3C2416 pin controller自己的属性

定义属于S3C2416 pin controller的pin configurations

}

每个pin configuration都是pin controller的child node，描述了client device要使用到的一组pin的配置信息。具体如何定义pin configuration是和具体的pin controller相关的。

在pin controller node中定义pin configuration其目的是为了让client device引用。所谓client device其实就是使用pin control subsystem提供服务的那些设备，例如串口设备。在使用之前，我们一般会在初始化代码中配置相关的引脚功能是串口功能。有了device tree，我们可以通过device tree来传递这样的信息。也就是说，各个device可以通过自己节点的属性来指向pin controller的某个child node，也就是pin configuration了。samsung 24xx系列SOC的pin controller的pin configurations包括两类，一类是定义pin bank，另外一类是定义功能复用配置。

2、pin configuration定义

我们举两个简单的例子（当然一个是pin bank，另外一个是定义功能复用配置）来理解pin configuration第一个例子是描述pin bank：

pinctrl@56000000 {
定义S3C2416 pin controller自己的属性

……

gpf {
gpio-controller;
#gpio-cells = <0x2>;
interrupt-controller;
#interrupt-cells = <0x2>;
linux,phandle = <0xc>;
phandle = <0xc>;
};

……

}

其实S3C2416 pin controller定义了gpa到gpm共计11个sub node，每个sub node是描述S3C2416 GPIO controller的各个bank信息。S3C2416有138个I/O 端口（或者叫做pin、finger、pad）这些端口分成了11个bank（这里没有用group这个术语，为了和pin group这个概念区分开，pin group的概念下面会具体描述）：

Port A(GPA) : 25-output port
Port B(GPB) : 9-input/output port
Port C(GPC) : 16-input/output port
Port D(GPD) : 16-input/output port
Port E(GPE) : 16-input/output port
Port F(GPF) : 8-input/output port
Port G(GPG) : 8-input/output port
Port H(GPH) : 15-input/output port
Port K(GPK) : 16-input/output port
Port L(GPL) : 7-input/output port
Port M(GPM) : 2-input port

之所以分成bank，主要是把特性相同的GPIO进行分组，方便控制。例如：这些bank中，只有GPF和GPG这两个bank上的引脚有中断功能，其他的都没有。interrupt-controller这个属性相信大家已经熟悉，就是说明该node是一个interrupt controller。gpio-controller类似，说明该device node是一个GPIO controller。#gpio-cells属性是一个GPIO controller的必须定义的属性，它描述了需要多少个cell来具体描述一个GPIO（这是和具体的GPIO controller相关的）。#interrupt-cells的概念类似，不再赘述。phandle（linux,phandle这个属性和phandle是一样的，只不过linux,phandle是old-style，多定义一个属性是为了兼容）定义了一个句柄，当其他的device node想要引用这个node的时候就可以使用该句柄。具体的例子参考下节client device的DTS的描述。

另外一个例子是uart的pin configuration，代码如下：

pinctrl@56000000 {
定义S3C2416 pin controller自己的属性

……

uart0-data {
samsung,pins = “gph-0”, “gph-1”;
samsung,pin-function = <0x2>;
linux,phandle = <0x2>;
phandle = <0x2>;
};

uart0-fctl {
samsung,pins = “gph-8”, “gph-9”;
samsung,pin-function = <0x2>;
linux,phandle = <0x3>;
phandle = <0x3>;
};

……

}

samsung,pins这个属性定义了一个pin configuration所涉及到的引脚定义。对于uart0-data这个node，该配置涉及了gph bank中的第一个和第二个GPIO pin。一旦选择了一个功能，那么samsung,pins定义的所有的引脚都需要做相应的功能设定，那么具体设定什么值呢？这就是samsung,pin-function定义的内容了。而具体设定哪个值则需要去查阅datasheet了。对于uart0-data，向gph bank中的第一个和第二个GPIO pin对应的配置寄存器中写入2就可以把这两个pin定义为uart功能。

3.client device的DTS

一个典型的device tree中的外设node定义如下：

device-node-name {
定义该device自己的属性

pinctrl-names = “sleep”, “active”;－－－－－－（1）
pinctrl-0 = ;－－－－－－－－－－－－－－（2）
pinctrl-1 = ;
};

（1）pinctrl-names定义了一个state列表。那么什么是state呢？具体说应该是pin state，对于一个client device，它使用了一组pin，这一组pin应该同时处于某种状态，毕竟这些pin是属于一个具体的设备功能。state的定义和电源管理关系比较紧密，例如当设备active的时候，我们需要pin controller将相关的一组pin设定为具体的设备功能，而当设备进入sleep状态的时候，需要pin controller将相关的一组pin设定为普通GPIO，并精确的控制GPIO状态以便节省系统的功耗。state有两种，标识，一种就是pinctrl-names定义的字符串列表，另外一种就是ID。ID从0开始，依次加一。根据例子中的定义，state ID等于0（名字是sleep）的state对应pinctrl-0属性，state ID等于1（名字是active）的state对应pinctrl-1属性。具体设备state的定义和各个设备相关，具体参考在自己的device bind。

（2）pinctrl-x的定义。pinctrl-x是一个句柄（phandle）列表，每个句柄指向一个pin configuration。有时候，一个state对应多个pin configure。例如在active的时候，I2C功能有两种配置，一种是从pin ID{7,8}引出，另外一个是从pin ID{69,103}引出。

我们选取samsung串口的dts定义如下：

serial@50000000 {
……
pinctrl-names = “default”;
pinctrl-0 = <0x2 0x3>;
};

该serial device只定义了一个state就是default，对应pinctrl-0属性定义。pinctrl-0是一个句柄（phandle）列表，每个句柄指向一个pin configuration。0x2对应上节中的uart0-data节点，0x03对应uart0-fctl 节点，也就是说，这个串口有两种配置，一种是从gph bank中的第一个和第二个GPIO pin引出，另外一个是从gph bank中的第8个和第9个GPIO pin引出。

三、 pin controller driver初始化

1、注册pin control device

旧的内核一般是在machine相关的代码中建立静态的platform device的数据结构，然后在machine初始化的时候，将静态定义的platform device注册到系统。不过在引入device tree之后，事情发生了变化。

根据device tree代码分析，我们知道，在系统初始化的时候，dts描述的device node会形成一个树状结构，在machine初始化的过程中，会scan device node的树状结构，将真正的硬件device node变成一个个的设备模型中的device结构（比如struct platform_device）并加入到系统中。我们看看具体2416描述pin controller的dts code，如下：

pinctrl@56000000 {
reg = <0x56000000 0x1000="">;
compatible = “samsung,s3c2416-pinctrl”;

……省略wakeup的pin configuration

……省略gpb～gpm这些pink bank的pin configuration

……省略Pin groups的相关描述

}

reg属性描述pin controller硬件的地址信息，开始地址是0x56000000 ，地址长度是0x1000。compatible属性用来描述pin controller的programming model。该属性的值是string list，定义了一系列的modle（每个string是一个model）。这些字符串列表被操作系统用来选择用哪一个pin controller driver来驱动该设备，后面的代码会更详细的描述。 pin control subsystem要想进行控制，必须首先了解自己控制的对象，也就是说软件需要提供一个方法将各种硬件信息（total有多少可控的pin，有多少bank，pin的复用情况以及pin的配置情况）注册到pin control subsystem中，这也是pin controller driver的初始化的主要内容。这些信息当然可以通过定义静态的表格（参考linux/drivers/pinctrl目录下的pinctrl-u300.c文件，该文件定义了一个大数组u300_pads来描述每一个pin），也可以通过dts加上静态表格的方式（2416采用的方式）。

2、注册pin controller driver

当然，pinctrl@56000000这个device node也会变成一个platform device加入系统。有了device，那么对应的platform driver是如何注册到系统中的呢？代码如下：

static int __init samsung_pinctrl_drv_register(void)
{
……

return platform_driver_register(&samsung_pinctrl_driver);
}

系统初始化的时候，该函数会执行，向系统注册了samsung_pinctrl_driver：

static struct platform_driver samsung_pinctrl_driver = {
.probe = samsung_pinctrl_probe, －－－－该driver的初始化函数
.driver = {
.name = “samsung-pinctrl”,
.owner = THIS_MODULE,
.of_match_table = samsung_pinctrl_dt_match, －－－－匹配列表
},
};

3、probe过程（driver初始化过程）

在linux kernel引入统一设备模型之后，bus、driver和device形成了设备模型中的铁三角。对于platform这种类型的bus，其铁三角数据是platform_bus_type（表示platform这种类型的bus）、struct platform_device（platform bus上的device）、struct platform_driver（platform bus上的driver）。统一设备模型大大降低了驱动工程师的工作量，驱动工程师只要将driver注册到系统即可，剩余的事情交给统一设备模型来完成。每次系统增加一个platform_driver，platform_bus_type都会启动scan过程，让新加入的driver扫描整个platform bus上的device的链表，看看是否有device让该driver驱动。同样的，每次系统增加一个platform_device，platform_bus_type也会启动scan过程，遍历整个platform bus上的driver的链表，看看是否有适合驱动该device的driver。具体匹配的代码是platform bus上的match函数，如下：

static int platform_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
{
struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);
struct platform_driver *pdrv = to_platform_driver(drv);

/* Attempt an OF style match first */
if (of_driver_match_device(dev, drv))
return 1;

/* Then try ACPI style match */
if (acpi_driver_match_device(dev, drv))
return 1;

/* Then try to match against the id table */
if (pdrv->id_table)
return platform_match_id(pdrv->id_table, pdev) != NULL;

/* fall-back to driver name match */
return (strcmp(pdev->name, drv->name) == 0);
}

旧的的platform的匹配函数就是简单的比较device和driver的名字，多么简单，多么清晰，真是有点怀念过去单纯而美好的生活。当然，事情没有那么糟糕，我们这里只要关注OF style的匹配过程即可，思路很简单，解铃还需系铃人，把匹配过程推给device tree模块，代码如下：

const struct of_device_id *of_match_device(const struct of_device_id *matches,
const struct device *dev)
{
if ((!matches) || (!dev->of_node))
return NULL;
return of_match_node(matches, dev->of_node);
}

platform driver提供了match table（struct device_driver 中的of_match_table的成员）。platform device提供了device tree node（struct device中的of_node成员）。对于我们这个场景，match table是samsung_pinctrl_dt_match，代码如下：

static const struct of_device_id samsung_pinctrl_dt_match[] = {
……
{ .compatible = “samsung,s3c2416-pinctrl”,
.data = s3c2416_pin_ctrl },
……
{},
};

再去看看dts中pin controller的节点compatible属性的定义，你会禁不住感慨：啊，终于遇到对的人。这里还要特别说明的是data成员被设定为s3c2416_pin_ctrl ，它描述了2416的HW pin controller，我们称之samsung pin controller的描述符，初始化的过程中需要这个数据结构，后面还会详细介绍它。一旦pin controller这个device遇到了适当的driver，就会调用probe函数进行具体的driver初始化的动作了，代码如下：

static int samsung_pinctrl_probe(struct platform_device *pdev)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;
struct device *dev = &pdev->dev;
struct samsung_pin_ctrl *ctrl;
struct resource *res;
int ret;

drvdata = devm_kzalloc(dev, sizeof(*drvdata), GFP_KERNEL); －－－－－－（1）

ctrl = samsung_pinctrl_get_soc_data(drvdata, pdev); －－－－－－－－－－（2）
drvdata->ctrl = ctrl;
drvdata->dev = dev;

res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); －－－－－分配memory资源
drvdata->virt_base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
if (IS_ERR(drvdata->virt_base))
return PTR_ERR(drvdata->virt_base);

res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_IRQ, 0); －－－－－－分配IRQ资源
if (res)
drvdata->irq = res->start;

ret = samsung_gpiolib_register(pdev, drvdata); －－－－－－－－－－－－－（3）

ret = samsung_pinctrl_register(pdev, drvdata); －－－－－－－－－－－－－（4）

if (ctrl->eint_gpio_init) －－－－－－－－－－－－－－－－－－（5）
ctrl->eint_gpio_init(drvdata);
if (ctrl->eint_wkup_init)
ctrl->eint_wkup_init(drvdata);

platform_set_drvdata(pdev, drvdata); －设定platform device的私有数据为samsung_pinctrl_drv_data

/* Add to the global list */
list_add_tail(&drvdata->node, &drvdata_list); －－挂入全局链表

return 0;
}

（1）devm_kzalloc函数是为struct samsung_pinctrl_drv_data数据结构分配内存。每当driver probe一个具体的device实例的时候，都需要建立一些私有的数据结构来保存该device的一些具体的硬件信息（本场景中，这个数据结构就是struct samsung_pinctrl_drv_data）。在过去，驱动工程师多半使用kmalloc或者kzalloc来分配内存，但这会带来一些潜在的问题。例如：在初始化过程中，有各种各样可能的失败情况，这时候就依靠driver工程师小心的撰写代码，释放之前分配的内存。当然，初始化过程中，除了memory，driver会为probe的device分配各种资源，例如IRQ 号，io memory map、DMA等等。当初始化需要管理这么多的资源分配和释放的时候，很多驱动程序都出现了资源管理的issue。而且，由于这些issue是异常路径上的issue，不是那么容易测试出来，更加重了解决这个issue的必要性。内核解决这个问题的模式（所谓解决一类问题的设计方法就叫做设计模式）是Devres，即device resource management软件模块。更细节的内容就不介绍了，其核心思想就是资源是设备的资源，那么资源的管理归于device，也就是说不需要driver过多的参与。当device和driver detach的时候，device会自动的释放其所有的资源。

（2）分配了struct samsung_pinctrl_drv_data数据结构的内存，当然下一步就是初始化这个数据结构了。我们先看看2416的pin controller driver是如何定义该数据结构的：

struct samsung_pinctrl_drv_data {
struct list_head node;－－－－－－－－－多个pin controller的描述符可以形成链表
void __iomem *virt_base;－－－－－－－－－访问硬件寄存器的基地址
struct device *dev;－－－－－－－－－－－和platform device建立联系
int irq; －－－－－－－－irq number，对于2416 pin control硬件而言，不需要irq资源

struct samsung_pin_ctrl *ctrl;－－－－samsung pin controller描述符
struct pinctrl_desc pctl; －－－－－－指向pin control subsystem中core driver中抽象的

pin controller描述符。
struct pinctrl_dev *pctl_dev; －－－－－－指向core driver的pin controller class device

const struct samsung_pin_group *pin_groups; －描述samsung pin controller中pin groups的信息
unsigned int nr_groups; －－－－－－－－描述samsung pin controller中pin groups的数目
const struct samsung_pmx_func *pmx_functions; －－描述samsung pin controller中function信息
unsigned int nr_functions; －－－－－－－－描述samsung pin controller中function的数目
};

struct pinctrl_desc和struct pinctrl_dev 都是pin control subsystem中core driver的概念。各个具体硬件的pin controller可能会各不相同，但是可以抽取其共同的部分来形成一个HW independent的数据结构，这个数据就是pin controller描述符，在core driver中用struct pinctrl_desc表示，具体该数据结构的定义如下：

struct pinctrl_desc {
const char *name;
struct pinctrl_pin_desc const *pins;－－－指向npins个pin描述符，每个描述符描述一个pin
unsigned int npins;－－－－－－－－－－－－该pin controller中有多少个可控的pin
const struct pinctrl_ops *pctlops;－－－－－－callback函数，是core driver和底层driver的接口
const struct pinmux_ops *pmxops;－－－－－callback函数，是core driver和底层driver的接口
const struct pinconf_ops *confops;－－－－－callback函数，是core driver和底层driver的接口
struct module *owner;
};

其实整个初始化过程的核心思想就是low level的driver定义一个pinctrl_desc ，设定pin相关的定义和callback函数，注册到pin control subsystem中。我们用引脚描述符（pin descriptor）来描述一个pin。在pin control subsystem中，struct pinctrl_pin_desc用来描述一个可以控制的引脚，我们称之引脚描述符，代码如下：

struct pinctrl_pin_desc {
unsigned number;－－－－－－－ID，在本pin controller中唯一标识该引脚
const char *name;－－－－－－－user friedly name
void *drv_data;
};

冰冷的pin ID是给机器用的，而name是给用户使用的，是ascii字符。

struct pinctrl_dev在pin control subsystem的core driver中抽象一个pin control device。其实我们可以通过多个层面来定义一个device。在这个场景下，pin control subsystem的core driver关注的是一类pin controller的硬件设备，具体其底层是什么硬件连接方式，使用什么硬件协议它不关心，它关心的是pin controller这类设备所有的通用特性和功能。当然2416的pin controller是通过platform bus连接的，因此，在low level的层面，需要一个platform device来标识2416的pin controller（需要注意的是：pin controller class device和platform device都是基于一个驱动模型中的device派生而来的，这里struct device是基类，struct pinctrl_dev和struct platform_device都是派生类，当然c本身不支持class，但面向对象的概念是同样的）。为了充分理解class这个概念，我们再举一个例子。对于audio的硬件抽象层，它应该管理所有的audio设备，因此这个软件模块应该有一个audio class的链表，连接了所有的系统中的audio设备。但这些具体的audio设备可能是PCI接口的audio设备，也可能是usb接口的audio设备，从具体的总线层面来看，也会有PCI或者USB设备来抽象对应的声卡设备。

OK，我们再看看samsung_pinctrl_drv_data底部四个成员，要理解该数据结构底部的四个成员，还要理解什么是pin mux function，什么是pin group。对于SOC而言，其引脚除了配置成普通GPIO之外，若干个引脚还可以组成一个pin group，形成特定的功能。例如pin number是{ 0, 8, 16, 24 }这四个引脚组合形成一个pin group，提供SPI的功能。既然有了pin group的概念，为何又有function这个概念呢？什么是function呢？SPI是function，I2C也是一个function，当然GPIO也是一个function。一个function有可能对应一组或者多组pin。例如：为了设计灵活，芯片内部的SPI0的功能可能引出到pin group { A8, A7, A6, A5 }，也可能引出到另外一个pin group{ G4, G3, G2, G1 }，但毫无疑问，这两个pin group不能同时active，毕竟芯片内部的SPI0的逻辑功能电路只有一个。 从这个角度看，pin control subsystem要进行功能设定的时候必须要给出function以及function的pin group才能确定所有的物理pin的位置。

我们前面已经说过了，struct samsung_pinctrl_drv_data数据结构就是2416的pin controller driver要驱动2416的HW pin controller的私有数据结构。这个数据结构中最重要的就是samsung pin controller描述符了。关于pin controller有两个描述符，一个是struct pinctrl_desc，是具体硬件无关的pin controller的描述符。struct samsung_pin_ctrl描述的具体samsung pin controller硬件相关的信息，比如说：pin bank的信息，不是所有的pin controller都是分bank的，因此pin bank的信息只能封装在low level的samsung pin controller driver中。这个数据结构定义如下：

struct samsung_pin_ctrl {
struct samsung_pin_bank *pin_banks;－－－－定义具体的pin bank信息
u32 nr_banks; －－－－－－－－－number of pin bank

u32 base;－－－－该pin controller的pin ID base。
u32 nr_pins; －－－－－总的可以控制的pin的数目

其他成员和本场景无关，和GPIO type的中断控制器驱动代码有关
};

关于上面的base可以多说两句。实际上，系统支持多个pin controller设备，这时候，系统要管理多个pin controller控制下的多个pin。每个pin有自己的pin ID，是唯一的，假设系统中有两个pin controller，一个是A，控制32个，另外一个是B，控制64个pin，我们可以统一编号，对A，pin ID从0～31，对于B，pin ID是从32～95。对于B，其pin base就是32。

samsung_pinctrl_probe->samsung_pinctrl_get_soc_data函数中会根据device tree的信息和静态定义的table来初始化该描述符，具体的代码如下：

static struct samsung_pin_ctrl *samsung_pinctrl_get_soc_data(
struct samsung_pinctrl_drv_data *d,
struct platform_device *pdev)
{
int id;
const struct of_device_id *match;
struct device_node *node = pdev->dev.of_node; －－－获取device tree中的device node指针
struct device_node *np;
struct samsung_pin_ctrl *ctrl;
struct samsung_pin_bank *bank;
int i;

id = of_alias_get_id(node, “pinctrl”);
match = of_match_node(samsung_pinctrl_dt_match, node);
ctrl = (struct samsung_pin_ctrl *)match->data + id; －－－－－－－－A

bank = ctrl->pin_banks;
for (i = 0; i < ctrl->nr_banks; ++i, ++bank) {－－－－－－－－－－－－B
spin_lock_init(&bank->slock);
bank->drvdata = d;
bank->pin_base = ctrl->nr_pins; －－－ctrl->nr_pins初始的时候等于0，最后完成bank初始化后，

该值等于total的pin number。
ctrl->nr_pins += bank->nr_pins;
}

for_each_child_of_node(node, np) { －－－－－－－－－－－－－－－－C
if (!of_find_property(np, “gpio-controller”, NULL))
continue;
bank = ctrl->pin_banks;
for (i = 0; i < ctrl->nr_banks; ++i, ++bank) {
if (!strcmp(bank->name, np->name)) {
bank->of_node = np;
break;
}
}
}

ctrl->base = pin_base; －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－D
pin_base += ctrl->nr_pins;

return ctrl;
}

samsung_pinctrl_get_soc_data这个函数名字基本反应了其功能，2416是samsung的一个具体的SOC型号，调用该函数可以返回一个表示2416 SOC的samsung pin controller的描述符。

A：这段代码主要是获取具体的2416的HW pin controller的信息，该数据结构在上文中出现过（具体参考pin controller的device tree match table：samsung_pinctrl_dt_match），就是s3c2416_pin_ctrl这个变量。这个变量定义了2416的pin controller的信息（S3C2416的pin controller的pin bank信息是定义在pin controller driver的静态数据，其实最好在dts中定义）如下：

struct samsung_pin_ctrl s3c2416_pin_ctrl[] = {
{
.pin_banks = s3c2416_pin_banks,－－－－－－静态定义的2416的pin bank的信息
.nr_banks = ARRAY_SIZE(s3c2416_pin_banks),
.eint_wkup_init = s3c24xx_eint_init,
.label = “S3C2416-GPIO”,
},
};

这个变量中包含了2416的pin bank的信息，包括：有多少个pin bank，每个bank中有多少个pin，pin bank的名字是什么，寄存器的offset是多少。这些信息用来初始化pin controller描述符数据结构。

B：初始化2416 samsung pin controller中各个bank的描述符。

C：device tree中表示pin controller的device node有若干的child node，分别表示gpa～gpl这11个bank，每个bank都是一个gpio controller。下面的代码遍历各个child node，并初始化各个bank描述符中的device tree node成员。 这里需要注意的是静态定义的pin bank的名字要和dts文件中定义的pin bank node的名字一样。

D：系统中有可能有多个pin controller，多个pin controller上的pin ID 应该是系统唯一的，ctrl->base表示本pin controller中的pin ID的起始值。

（3）本来pin control subsystem和GPIO subsystem应该是无关的两个子系统，应该各自进行自己的初始化过程。但实际中，由于硬件的复杂性，这两个子系统耦合性非常高。这里samsung_gpiolib_register函数就是把各个bank代表的gpio chip注册到GPIO subsystem中。更具体的信息请参考GPIO subsystem软件框架文档。

（4）samsung_pinctrl_register函数的主要功能是将本pin controller注册到pin control subsystem。代码如下：

static int samsung_pinctrl_register(struct platform_device *pdev,
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata)
{
struct pinctrl_desc *ctrldesc = &drvdata->pctl;
struct pinctrl_pin_desc *pindesc, *pdesc;
struct samsung_pin_bank *pin_bank;
char *pin_names;
int pin, bank, ret;

ctrldesc->name = “samsung-pinctrl”;－－－－－－－－A
ctrldesc->owner = THIS_MODULE;
ctrldesc->pctlops = &samsung_pctrl_ops; －－－call 函数，具体参考第四章的内容
ctrldesc->pmxops = &samsung_pinmux_ops;
ctrldesc->confops = &samsung_pinconf_ops;

pindesc = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*pindesc) *－－－－－－－B
drvdata->ctrl->nr_pins, GFP_KERNEL);
ctrldesc->pins = pindesc;
ctrldesc->npins = drvdata->ctrl->nr_pins;
for (pin = 0, pdesc = pindesc; pin < ctrldesc->npins; pin++, pdesc++)－－－C
pdesc->number = pin + drvdata->ctrl->base;

pin_names = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(char) * PIN_NAME_LENGTH *－－－B
drvdata->ctrl->nr_pins, GFP_KERNEL);

for (bank = 0; bank < drvdata->ctrl->nr_banks; bank++) { －－－－－－－－－C
pin_bank = &drvdata->ctrl->pin_banks[bank];
for (pin = 0; pin < pin_bank->nr_pins; pin++) {
sprintf(pin_names, “%s-%d”, pin_bank->name, pin);
pdesc = pindesc + pin_bank->pin_base + pin;
pdesc->name = pin_names;
pin_names += PIN_NAME_LENGTH;
}
}

ret = samsung_pinctrl_parse_dt(pdev, drvdata);－－－－－－D

drvdata->pctl_dev = pinctrl_register(ctrldesc, &pdev->dev, drvdata);－－－E

for (bank = 0; bank < drvdata->ctrl->nr_banks; ++bank) {－－－－－F
pin_bank = &drvdata->ctrl->pin_banks[bank];
pin_bank->grange.name = pin_bank->name;
pin_bank->grange.id = bank;
pin_bank->grange.pin_base = pin_bank->pin_base;
pin_bank->grange.base = pin_bank->gpio_chip.base;
pin_bank->grange.npins = pin_bank->gpio_chip.ngpio;
pin_bank->grange.gc = &pin_bank->gpio_chip;
pinctrl_add_gpio_range(drvdata->pctl_dev, &pin_bank->grange);
}

return 0;
}

A：初始化硬件无关的pin controller描述符（struct samsung_pinctrl_drv_data中的pctl成员）。该数据结构中还包含了所有pin的描述符的信息，这些pin descriptor所需要的内存在步骤B中分配

B：初始化过程中涉及不少内存分配，这些内存主要用于描述每一个pin（术语叫做pin descriptor）以及pin name。

C：初始化每一个pin 描述符的名字和ID。对于samsung的pin描述符，其名字使用pin-bank name + pin ID的形式。 ID的分配是从该pin controller的pin base开始分配ID的，逐个加一。

D：初始化pin group和function（具体内容在下节描述）

E：调用pinctrl_register注册到pin control subsystem 。这是pin control subsystem的核心函数，可以参考GPIO系统之2的描述。

F：在这里又不得不进行pin control subsystem和GPIO系统的耦合了。每个bank都是一个GPIO controller，但是pin bank使用的ID是pin control space中的ID，GPIO 子系统中使用的是GPIO space的ID，对于pin control subsystem而言，它需要建立这两个ID的映射关系。pinctrl_add_gpio_range就是起这个作用的。更具体的内容请参考pin control subsystem软件结构文档。 需要注意的是直接在pin controller driver中调用pinctrl_add_gpio_range是不推荐的，建议使用dts的方式在GPIO controller设备节点中描述。

（5）这里的代码是向kernel中的中断子系统注册interrupt controller。对于2416，有两个bank有中断功能，gpf和gpg，本质上gpf和gpg就是两个interrupt controller，挂接在2416真正的那个interrupt contrller之下，形成树状结构。具体的代码就不分析了，请参考GPIO类型的中断控制器代码分析。

4、pin control subsystem如何获取pin group的信息

具体的代码如下：

static int samsung_pinctrl_parse_dt(struct platform_device *pdev,
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata)
{
struct device *dev = &pdev->dev;
struct device_node *dev_np = dev->of_node;
struct device_node *cfg_np;
struct samsung_pin_group *groups, *grp;
struct samsung_pmx_func *functions, *func;
unsigned *pin_list;
unsigned int npins, grp_cnt, func_idx = 0;
char *gname, *fname;
int ret;

grp_cnt = of_get_child_count(dev_np); －－－－－－（1）

groups = devm_kzalloc(dev, grp_cnt * sizeof(*groups), GFP_KERNEL); －－－－（2）
grp = groups;

functions = devm_kzalloc(dev, grp_cnt * sizeof(*functions), GFP_KERNEL); －－－（2）
func = functions;

for_each_child_of_node(dev_np, cfg_np) { －－－－遍历pin control的所有的child node
u32 function;
if (!of_find_property(cfg_np, “samsung,pins”, NULL)) －忽略掉那些没有samsung,pins属性的node
continue;

ret = samsung_pinctrl_parse_dt_pins(pdev, cfg_np, －－－－－－－－（3）
&drvdata->pctl, &pin_list, &npins);
if (ret)
return ret;

/* derive pin group name from the node name */
gname = devm_kzalloc(dev, strlen(cfg_np->name) + GSUFFIX_LEN, －分配pin group名字需要的内存
GFP_KERNEL);

sprintf(gname, “%s%s”, cfg_np->name, GROUP_SUFFIX);－－添加“-grp”的后缀

grp->name = gname; －－－－－－－－－－－－－－－－（4）
grp->pins = pin_list;
grp->num_pins = npins;
of_property_read_u32(cfg_np, “samsung,pin-function”, &function);
grp->func = function;
grp++;

if (!of_find_property(cfg_np, “samsung,pin-function”, NULL))
continue; －－－－忽略掉那些没有samsung,pin-function属性的node

/* derive function name from the node name */
fname = devm_kzalloc(dev, strlen(cfg_np->name) + FSUFFIX_LEN,
GFP_KERNEL);
sprintf(fname, “%s%s”, cfg_np->name, FUNCTION_SUFFIX); －－－－－（5）

func->name = fname;
func->groups = devm_kzalloc(dev, sizeof(char *), GFP_KERNEL); －－－－（6）
if (!func->groups) {
dev_err(dev, “failed to alloc memory for group list "
“in pin function”);
return -ENOMEM;
}
func->groups[0] = gname;
func->num_groups = 1;
func++;
func_idx++;
}

drvdata->pin_groups = groups; －－－－最终，pin group和function的信息被copy到pin controller

driver的私有数据结构struct samsung_pinctrl_drv_data 中
drvdata->nr_groups = grp_cnt;
drvdata->pmx_functions = functions;
drvdata->nr_functions = func_idx;

return 0;
}

（1）pin controller的device node有若干个child node，每个child node都描述了一个pin configuration。of_get_child_count函数可以获取pin configuration的数目。

（2）根据pin configuration的数目分配内存。在这里共计分配了两片内存，一片保存了所有pin group的信息（struct samsung_pin_group ），一片保存了pin mux function的信息（struct samsung_pmx_func）。实际上，分配pin configuration的数目的内存有些浪费，因为不是每一个pin control的child node都是和pin group相关（例如pin bank node就是和pin group无关）。对于function，就更浪费了，因为有可能多个pin group对应一个function。

（3）samsung_pinctrl_parse_dt_pins函数主要分析samsung,pins这个属性，并根据属性值返回一个pin list，该list中每个entry是一个pin ID。

（4）初始化samsung pin group的描述符。具体的数据结构解释如下：

struct samsung_pin_group {
const char *name;－－－－－－－－－pin group的名字，名字是device tree node name＋-grp
const unsigned int *pins;－－－－－－－pin list的信息
u8 num_pins;－－－－－－－－－－pin list中的数目
u8 func;－－－－－－－－－－－－对应samsung,pin-function属性的值，用来配置pin list中各个pin的功能设定寄存器
};

（5）一个pin configuration的device tree node被解析成两个描述符，一个是samsung pin group的描述符，另外一个是samsung pin mux function描述符。这两个描述符的名字都是根据dts file中的pin configuration的device node name生成，只不过pin group的名字附加-grp的后缀，而function描述符的名字后面附加-mux的后缀。

（6）对于samsung pin mux function描述符解释如下：

struct samsung_pmx_func {
const char *name;－－－－－－pin function的名字，名字是device tree node name＋-mux

const char **groups;－－－－－指向pin groups的指针数组
u8 num_groups;－－－－－－属于该function的pin group的个数
};

在具体的代码实现中num_groups总是等于1。

四、S3C2416 pin controller driver的操作函数

1、操作函数概述

pin controller描述符中包括了三类操作函数：pctlops是一些全局的控制函数，pmxops是复用引脚相关的操作函数，confops操作函数是用来配置引脚的特性（例如：pull-up/down）。这些callback函数都是和具体的底层pin controller的操作相关。

本章节主要描述这些call back函数的逻辑，这些callback的调用时机不会在这里描述，那些内容请参考pin control subsystem的描述。

2、struct pinctrl_ops中各个callback函数的具体的解释如下：

（1）samsung_get_group_count

该函数的代码如下：

static int samsung_get_group_count(struct pinctrl_dev *pctldev)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;

drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
return drvdata->nr_groups;
}

该函数主要是用来获取指定pin control device的pin group的数目。逻辑很简单，通过pin control的class device的driver_data成员可以获得samsung pin control driver的私有数据（struct samsung_pinctrl_drv_data），可以nr_groups成员返回group的数目。

（2）samsung_get_group_name

该函数的代码如下：

static const char *samsung_get_group_name(struct pinctrl_dev *pctldev,
unsigned selector)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;

drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
return drvdata->pin_groups[selector].name;
}

该函数主要用来获取指定group selector的pin group信息。

（3）samsung_get_group_pins

该函数的代码如下：

static int samsung_get_group_pins(struct pinctrl_dev *pctldev,
unsigned selector, const unsigned **pins, unsigned *num_pins)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;

drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
*pins = drvdata->pin_groups[selector].pins;
*num_pins = drvdata->pin_groups[selector].num_pins;
return 0;
}

该函数的主要功能是给定一个group selector（index），获取该pin group中pin的信息（该pin group包括多少个pin，每个pin的ID是什么） 。

（4）samsung_dt_node_to_map

该函数的代码如下：

static int samsung_dt_node_to_map(struct pinctrl_dev *pctldev,
struct device_node *np, struct pinctrl_map **maps,
unsigned *nmaps)
{
struct device *dev = pctldev->dev;
struct pinctrl_map *map;
unsigned long *cfg = NULL;
char *gname, *fname;
int cfg_cnt = 0, map_cnt = 0, idx = 0;

/* count the number of config options specfied in the node */
for (idx = 0; idx < ARRAY_SIZE(pcfgs); idx++) {
if (of_find_property(np, pcfgs[idx].prop_cfg, NULL))
cfg_cnt++;
}

/*
* Find out the number of map entries to create. All the config options
* can be accomadated into a single config map entry.
*/
if (cfg_cnt)
map_cnt = 1;
if (of_find_property(np, “samsung,pin-function”, NULL))
map_cnt++;
if (!map_cnt) {
dev_err(dev, “node %s does not have either config or function "
“configurations\n”, np->name);
return -EINVAL;
}

/* Allocate memory for pin-map entries */
map = kzalloc(sizeof(*map) * map_cnt, GFP_KERNEL);
if (!map) {
dev_err(dev, “could not alloc memory for pin-maps\n”);
return -ENOMEM;
}
*nmaps = 0;

/*
* Allocate memory for pin group name. The pin group name is derived
* from the node name from which these map entries are be created.
*/
gname = kzalloc(strlen(np->name) + GSUFFIX_LEN, GFP_KERNEL);
if (!gname) {
dev_err(dev, “failed to alloc memory for group name\n”);
goto free_map;
}
sprintf(gname, “%s%s”, np->name, GROUP_SUFFIX);

/*
* don’t have config options? then skip over to creating function
* map entries.
*/
if (!cfg_cnt)
goto skip_cfgs;

/* Allocate memory for config entries */
cfg = kzalloc(sizeof(*cfg) * cfg_cnt, GFP_KERNEL);
if (!cfg) {
dev_err(dev, “failed to alloc memory for configs\n”);
goto free_gname;
}

/* Prepare a list of config settings */
for (idx = 0, cfg_cnt = 0; idx < ARRAY_SIZE(pcfgs); idx++) {
u32 value;
if (!of_property_read_u32(np, pcfgs[idx].prop_cfg, &value))
cfg[cfg_cnt++] =
PINCFG_PACK(pcfgs[idx].cfg_type, value);
}

/* create the config map entry */
map[*nmaps].data.configs.group_or_pin = gname;
map[*nmaps].data.configs.configs = cfg;
map[*nmaps].data.configs.num_configs = cfg_cnt;
map[*nmaps].type = PIN_MAP_TYPE_CONFIGS_GROUP;
*nmaps += 1;

skip_cfgs:
/* create the function map entry */
if (of_find_property(np, “samsung,pin-function”, NULL)) {
fname = kzalloc(strlen(np->name) + FSUFFIX_LEN, GFP_KERNEL);
if (!fname) {
dev_err(dev, “failed to alloc memory for func name\n”);
goto free_cfg;
}
sprintf(fname, “%s%s”, np->name, FUNCTION_SUFFIX);

map[*nmaps].data.mux.group = gname;
map[*nmaps].data.mux.function = fname;
map[*nmaps].type = PIN_MAP_TYPE_MUX_GROUP;
*nmaps += 1;
}

*maps = map;
return 0;

free_cfg:
kfree(cfg);
free_gname:
kfree(gname);
free_map:
kfree(map);
return -ENOMEM;
}

具体分析TODO

（5）samsung_dt_free_map

该函数的代码如下：

static void samsung_dt_free_map(struct pinctrl_dev *pctldev,
struct pinctrl_map *map, unsigned num_maps)
{
int idx;

for (idx = 0; idx < num_maps; idx++) {
if (map[idx].type == PIN_MAP_TYPE_MUX_GROUP) {
kfree(map[idx].data.mux.function);
if (!idx)
kfree(map[idx].data.mux.group);
} else if (map->type == PIN_MAP_TYPE_CONFIGS_GROUP) {
kfree(map[idx].data.configs.configs);
if (!idx)
kfree(map[idx].data.configs.group_or_pin);
}
};

kfree(map);
}

具体分析TODO

3、复用引脚相关的操作函数struct pinmux_ops的具体解释如下：

（1）samsung_get_functions_count

该函数的代码如下：

static int samsung_get_functions_count(struct pinctrl_dev *pctldev)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;

drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
return drvdata->nr_functions;
}

该函数的主要功能是就是返回pin controller device支持的function的数目

（2）samsung_pinmux_get_fname

该函数的代码如下：

static const char *samsung_pinmux_get_fname(struct pinctrl_dev *pctldev,
unsigned selector)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;

drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
return drvdata->pmx_functions[selector].name;
}

该函数的主要功能是就是：给定一个function selector（index），获取指定function的name

（3）samsung_pinmux_get_groups

该函数的代码如下：

static int samsung_pinmux_get_groups(struct pinctrl_dev *pctldev,
unsigned selector, const char * const **groups,
unsigned * const num_groups)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;

drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
*groups = drvdata->pmx_functions[selector].groups;
*num_groups = drvdata->pmx_functions[selector].num_groups;
return 0;
}

该函数的主要功能是就是：给定一个function selector（index），获取指定function的pin groups信息

（4）samsung_pinmux_enable和samsung_pinmux_disable

这个两个callback函数都是通过samsung_pinmux_setup实现，该函数的代码如下：

static void samsung_pinmux_setup(struct pinctrl_dev *pctldev, unsigned selector,
unsigned group, bool enable)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;
const unsigned int *pins;
struct samsung_pin_bank *bank;
void __iomem *reg;
u32 mask, shift, data, pin_offset, cnt;
unsigned long flags;

drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
pins = drvdata->pin_groups[group].pins;

/*
* for each pin in the pin group selected, program the correspoding pin
* pin function number in the config register.
*/
for (cnt = 0; cnt < drvdata->pin_groups[group].num_pins; cnt++) {
struct samsung_pin_bank_type *type;

pin_to_reg_bank(drvdata, pins[cnt] - drvdata->ctrl->base,
®, &pin_offset, &bank);
type = bank->type;
mask = (1 « type->fld_width[PINCFG_TYPE_FUNC]) - 1;
shift = pin_offset * type->fld_width[PINCFG_TYPE_FUNC];
if (shift >= 32) {
/* Some banks have two config registers */
shift -= 32;
reg += 4;
}

spin_lock_irqsave(&bank->slock, flags);

data = readl(reg + type->reg_offset[PINCFG_TYPE_FUNC]);
data &= ~(mask « shift);
if (enable)
data |= drvdata->pin_groups[group].func « shift;
writel(data, reg + type->reg_offset[PINCFG_TYPE_FUNC]);

spin_unlock_irqrestore(&bank->slock, flags);
}
}

该函数主要用来enable一个指定function。具体指定function的时候要给出function selector和pin group的selector 。具体的操作涉及很多底层的寄存器操作（TODO）。

（5）samsung_pinmux_gpio_set_direction

该函数的代码如下：

static int samsung_pinmux_gpio_set_direction(struct pinctrl_dev *pctldev,
struct pinctrl_gpio_range *range, unsigned offset, bool input)
{
struct samsung_pin_bank_type *type;
struct samsung_pin_bank *bank;
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;
void __iomem *reg;
u32 data, pin_offset, mask, shift;
unsigned long flags;

bank = gc_to_pin_bank(range->gc);
type = bank->type;
drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);

pin_offset = offset - bank->pin_base;
reg = drvdata->virt_base + bank->pctl_offset +
type->reg_offset[PINCFG_TYPE_FUNC];

mask = (1 « type->fld_width[PINCFG_TYPE_FUNC]) - 1;
shift = pin_offset * type->fld_width[PINCFG_TYPE_FUNC];
if (shift >= 32) {
/* Some banks have two config registers */
shift -= 32;
reg += 4;
}

spin_lock_irqsave(&bank->slock, flags);

data = readl(reg);
data &= ~(mask « shift);
if (!input)
data |= FUNC_OUTPUT « shift;
writel(data, reg);

spin_unlock_irqrestore(&bank->slock, flags);

return 0;
}

该函数用来设定GPIO的方向。

4、配置引脚的特性的struct pinconf_ops数据结构的各个成员定义如下：

（1）samsung_pinconf_get
（2）samsung_pinconf_set
（3）samsung_pinconf_group_get
（4）samsung_pinconf_group_set

（1）和（2）是对单个pin的配置进行读取或者设定，（3）和（4）是对pin group中的所有pin进行配置进行读取或者设定。这些函数的底层都是samsung_pinconf_rw，该函数代码如下：

static int samsung_pinconf_rw(struct pinctrl_dev *pctldev, unsigned int pin,
unsigned long *config, bool set)
{
struct samsung_pinctrl_drv_data *drvdata;
struct samsung_pin_bank_type *type;
struct samsung_pin_bank *bank;
void __iomem *reg_base;
enum pincfg_type cfg_type = PINCFG_UNPACK_TYPE(*config);
u32 data, width, pin_offset, mask, shift;
u32 cfg_value, cfg_reg;
unsigned long flags;

drvdata = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
pin_to_reg_bank(drvdata, pin - drvdata->ctrl->base, ®_base,
&pin_offset, &bank);
type = bank->type;

if (cfg_type >= PINCFG_TYPE_NUM || !type->fld_width[cfg_type])
return -EINVAL;

width = type->fld_width[cfg_type];
cfg_reg = type->reg_offset[cfg_type];

spin_lock_irqsave(&bank->slock, flags);

mask = (1 « width) - 1;
shift = pin_offset * width;
data = readl(reg_base + cfg_reg);

if (set) {
cfg_value = PINCFG_UNPACK_VALUE(*config);
data &= ~(mask « shift);
data |= (cfg_value « shift);
writel(data, reg_base + cfg_reg);
} else {
data »= shift;
data &= mask;
*config = PINCFG_PACK(cfg_type, data);
}

spin_unlock_irqrestore(&bank->slock, flags);

return 0;
}

具体分析TODO

原创文章，转发请注明出处。蜗窝科技。/gpio_subsystem/pin-controller-driver.html