GPIO

GPIO 简介

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）。可能是芯片自带的，也可能通过 I2C、SPI 接口扩展。GPIO 子系统的作用是既能支持芯片本身的 GPIO，也能支持扩展的 GPIO，为系统提供统一的、简便的访问接口，从而实现输入、输出、中断等功能。芯片内部有很多引脚，这些引脚可以接到 GPIO 模块，也可以接到 I2C 等模块。通过 Pinctrl 子系统来选择引脚的功能 (mux function)、配置引脚。当一个引脚被复用为 GPIO 功能时，可设置其方向、读取或写入电平值。

GPIO 介绍

GPIO 开发框架

Linux 内核为 GPIO 提供了开发基本框架：

GPIO 架构

核心 API

GPIO Chip 加载完成后，即可通过 Linux 内核提供的标准接口控制 GPIO。GPIOLIB 向上提供了常用的基本接口如下，这些接口定义在 linux/gpio/consumer.h 中：

API	Function	备注
`gpiod_get` / `devm_gpiod_get`	获取 idx 为 0 的句柄，返回 gpio_desc 类型的指针，适用于单个引脚	示例：`gpiod_get(dev, "client", 0)`；DTS 写法：`client-gpios = <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(81) GPIO_ACTIVE_HIGH>;`
`gpiod_get_index` / `devm_gpiod_get_index`	获取指定 idx 的句柄，返回 gpio_desc 类型的指针，适用于定义多个 GPIO 引脚	示例：`gpiod_get_index(dev, "client", 1)`；DTS 写法：`client-gpios = <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(81) GPIO_ACTIVE_HIGH>, <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(237) GPIO_ACTIVE_HIGH>;`
`gpiod_get_array` / `devm_gpiod_get_array`	一次性获取多个 GPIO 引脚，返回 gpio_descs 类型数组指针，通过 `descs->ndescs` 获取数量	示例：`descs = gpiod_get_array(dev, "client", 0)`；DTS 写法：`client-gpios = <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(81) GPIO_ACTIVE_HIGH>, <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(236) GPIO_ACTIVE_HIGH>, <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(237) GPIO_ACTIVE_HIGH>;`
`gpiod_get_value`	获取 GPIO 的电平值	desc 需通过 `gpiod_get_xxx` 获取
`gpiod_set_value`	设置 GPIO 的电平值	desc 需通过 `gpiod_get_xxx` 获取
`gpiod_direction_input`	设置 GPIO 为输入功能	示例：`gpiod_direction_input(desc);` desc 需通过 `gpiod_get_xxx` 获取
`gpiod_direction_output`	设置 GPIO 为输出功能	示例：`gpiod_direction_output(desc, value);` desc 需通过 `gpiod_get_xxx` 获取
`gpiod_put_array`	释放多个 GPIO 资源，与 `gpiod_get_array` 配对使用	desc 需通过 `gpiod_get_xxx` 获取
`gpiod_free`	释放单个 GPIO 资源，与 `gpiod_get` / `gpiod_get_index` 配对使用	示例：`gpiod_free(desc);` desc 需通过 `gpiod_get_xxx` 获取

约束说明

SoC 内部有两个 GPIO 控制器，0–20 称为 gpio_sm，21–237 称为 gpio_peri。因此在配置引脚的时候：

GPIO 0–20 要指定 gpio_sm 作为 GPIO 控制器；
GPIO 21–237 要指定 gpio_peri 作为 GPIO 控制器。

以下以 GPIO 5、20、21、234 举例，仅示范如何编写 DTS，实际使用时请按照硬件要求配置。

// 普通引脚使用片段
client-gpios = <&gpio_sm MT_GPIO_GLB_NO(5) GPIO_ACTIVE_HIGH>,      // gpio 5 range [0~20] 使用 gpio_sm 作为 gpio 控制器
               <&gpio_sm MT_GPIO_GLB_NO(20) GPIO_ACTIVE_HIGH>,     // gpio 20 range [0~20] 使用 gpio_sm 作为 gpio 控制器
               <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(21) GPIO_ACTIVE_HIGH>,   // gpio 21 range [21~237] 使用 gpio_peri 作为 gpio 控制器
               <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(234) GPIO_ACTIVE_HIGH>;  // gpio 234 range [21~237] 使用 gpio_peri 作为 gpio 控制器
// 中断
interrupts-extended = <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(201) IRQ_TYPE_EDGE_RISING>, // gpio 201 range [21~237] 使用 gpio_peri 作为 gpio 控制器
                    <&gpio_sm MT_GPIO_GLB_NO(20) IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;      // gpio 20 range [0~20] 使用 gpio_sm 作为 gpio 控制器

注：GPIO_ACTIVE_HIGH 为输出高电平使能对应外设，IRQ_TYPE_EDGE_RISING 为上升沿触发中断。

配置流程

步骤 1：编写 DTS

gpio_peri_client: gpio_peri_client {
    compatible = "mthreads,m1000-gpiocli";
    interrupts-extended =
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(21) IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(22) IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(23) IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(24) IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(201) IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
    client-gpios =
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(236) GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(237) GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    status = "okay"; // okay, disabled
};

步骤 2：编写对应驱动

/* compatible */
static const struct of_device_id gpio_client_id[] = {
    { .compatible = "mthreads,m1000-gpiocli" },
    {},
};
/* platform_driver */
static struct platform_driver gpio_client_driver = {
    .probe = gpio_client_probe,
    .remove = gpio_client_remove,
    .driver = {
        .name = GPIO_CLIENT_DRIVER_NAME,
        .of_match_table = gpio_client_id,
    },
};
/* probe */
static int gpio_client_probe(struct platform_device *pdev) {
    ...
    /* 获取 gpio desc */
    gpio_client_gpios = gpiod_get_array(&pdev->dev, "client", 0); // 对应 DTS 中的 client-gpios = <...>
    /* 获取 gpio irq，参数 0 表示获取 gpio 21 的中断号，参考上述 DTS 配置 */
    platform_get_irq(pdev, 0);
    devm_request_irq(...);
    ...
}

设置输入、输出或其他功能：

gpiod_direction_input(desc);
gpiod_direction_output(desc);
gpiod_set_value(...);
gpiod_set_config(...);

开发参考

当前内核已经完成了 GPIO controller 的开发，用户只需编写 GPIO client 相关的驱动即可。

GPIO 通常不作为单独的驱动存在，而是嵌入在其他驱动中，例如基于 I2S、I2C 的设备驱动中，配合这些驱动完成一些中断、输入、输出、上拉、下拉等功能。

用户可参考以下文件中的代码片段，在自己的驱动中调用相关接口，完成业务逻辑：

drivers/pinctrl/mthreads/uio_pdrv_gpio.c
drivers/gpio/gpio-mthreads-client.c

DTS 的编写可参考 m1000-main.dtsi 中的写法，搜索 gpio_peri_client 即可找到：

gpio_peri_client: gpio_peri_client {
    compatible = "mthreads,m1000-gpiocli";
    interrupts-extended =
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(21)  IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(22)  IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(23)  IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(24)  IRQ_TYPE_LEVEL_LOW>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(201) IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
    client-gpios =
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(81)  GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(92)  GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(93)  GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(94)  GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(228) GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(234) GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(235) GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(236) GPIO_ACTIVE_HIGH>,
        <&gpio_peri MT_GPIO_GLB_NO(237) GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    status = "okay"; // okay, disabled
};

调试方法说明

调试具体引脚

find /sys/ -name "gpio-ctrl"

输出类似以下结果：

/sys/devices/platform/SPIO0001:00/gpio-ctrl   # gpio_sm 调试信息，对应 gpio 0-20
/sys/devices/platform/APIO0001:00/gpio-ctrl   # gpio_peri 调试信息，对应 gpio 21-237

以 gpio_peri 为例，查看第 21、22 号引脚：

cd /sys/devices/platform/APIO0001:00/gpio-ctrl/peri_padc
# 将需要 debug 的引脚写入 index
echo 21 > index
echo 22 > index

# 查看引脚状态
cat stat
gicv3 interrupt cnt: 1
pin ctrl fs output_val ren oen  input_val inte int_pos int_neg srcpnd intmask intmask_l2 inten_l2 intstat_l2 irq_cnt
 21  100  0          0   1  in          0    0       1       1      0       0          0        0          0       0
 22  100  0          0   1  in          0    0       1       1      0       0          0        0          0       0

# 通过命令清除
echo -1 > clear

stat 的字段说明

gicv3 interrupt cnt：为 gpio_peri 中断控制器上所有引脚的中断次数
pin：对应具体的管脚
ctrl：用于配置上拉下拉等，各 bit 定义如下：
fs：代码复用功能，pinctrl 配置的值会在这里显示
output_val：为输出值
ren：为 GPIO 上拉/下拉使能
oen：为输出使能，0 为输出，1 为输入
input_val：为输入值
inte、int_pos、int_neg、srcpnd、intmask：为中断相关的信息，分别代表中断使能、上升沿、下降沿、pending、mask
intmask_l2、inten_l2、intstat_l2：为 L2 配置信息
irq_cnt：为当前 pin 触发的中断次数

常见问题

Q: Active-High 和 Active-Low 是什么意思？

A: 以 LED 为例，若 DTS 里配置了 GPIO_ACTIVE_HIGH，意味着输出高电平打开 LED，可使用：

gpiod_set_value(gpio, 1); // 使能 LED，即打开 LED
gpiod_set_value(gpio, 0); // 去使能，即关闭 LED

若 DTS 配置为 GPIO_ACTIVE_LOW，则表示输出低电平打开 LED，也使用相同代码：

gpiod_set_value(gpio, 1); // 使能 LED，即打开 LED
gpiod_set_value(gpio, 0); // 去使能，即关闭 LED

Q: Open Drain 和 Open Source 的区别？

A: 当有多个 GPIO 驱动同时驱动一个电路时，需要使用 Open Drain 或 Open Source 模式：

Open Drain：引脚设置为低电平时才会驱动电路，典型应用场景如 I2C 接口
Open Source：引脚设置为高电平时才会驱动电路

Q: 有几个 GPIO 控制器？

A: 进入 /sys/bus/gpio/devices 即可查看，当前 SoC 共 2 个 GPIO 控制器。

Q: 每个 GPIO 控制器的详细信息有哪些？

A: GPIO sys 功能依赖 expert 选项，expert 默认关闭。开启该选项可能会对系统性能产生较大影响，且可能引入其他问题。

GPIO expert 配置

如上截图显示当前 GPIO 控制器为 sm_padc，base 为 512，共 21 个 GPIO。

Q: 如何查看 GPIO 使用情况？

cd /sys/kernel/debug
cat gpio

Q: 为什么不能直接 echo 物理 GPIO number 到 export？

A: Linux 内核中 GPIO 的虚拟 offset 默认从 512 开始，因此物理 GPIO number 需要加上这个 base。对于具有多个 GPIO 控制器的系统来说，每个 controller 的 base 是不同的，可通过查看 /sys/class/gpio 来确认各个 chip 的 base。

Q: 如何通过 /sys/ 操作 GPIO？以下以操作 pin21 管脚为例

A: GPIO sys 功能依赖 expert 选项，默认关闭。开启可能对系统性能产生较大影响，并可能引入其他问题。

pin21 属于 peri_padc，如下图查看当前 chip 的信息：
使用 base + offset 确定 pin 在当前 chip 中的编号。例如：base 为 533，pin21 为第 0 号 pin（offset = 0），因此其 GPIO number 为：
```
533+0=533
```
其他 pin 可类推。
设置方向、value，并查看：

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GPIO 开发框架​

核心 API​

约束说明​

配置流程​

步骤 1：编写 DTS​

步骤 2：编写对应驱动​

开发参考​

调试方法说明​

调试具体引脚​

stat 的字段说明​

常见问题​

Q: Active-High 和 Active-Low 是什么意思？​

Q: Open Drain 和 Open Source 的区别？​

Q: 有几个 GPIO 控制器？​

Q: 每个 GPIO 控制器的详细信息有哪些？​

Q: 如何查看 GPIO 使用情况？​

Q: 为什么不能直接 echo 物理 GPIO number 到 export？​

Q: 如何通过 /sys/ 操作 GPIO？以下以操作 pin21 管脚为例​

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