第3章 GPIO驱动开发

第3章：GPIO驱动开发：GPIO控制器原理、Linux GPIO子系统框架、编写简单的GPIO驱动

好，咱们今天聊聊GPIO驱动。说实话，GPIO是SoC里最简单也最常用的外设之一。但你别小看它，很多复杂外设的驱动，底层都离不开GPIO的控制。我刚开始做嵌入式时，觉得GPIO不就是拉高拉低嘛，有啥好学的？后来踩了不少坑，才发现这里面的门道还真不少。

3.1 GPIO控制器原理

GPIO，全称是General Purpose Input/Output。说白了，就是芯片上那些可以编程控制的引脚。你可以把它配置成输入，读取外部电平；也可以配置成输出，控制外部设备。

一个典型的GPIO控制器，内部结构大概长这样：

数据寄存器：用来读写引脚电平。写1输出高，写0输出低。读的话，就是获取当前引脚电平。
方向寄存器：决定引脚是输入还是输出。一般写1是输出，写0是输入。嗯，不同厂商可能相反，要注意。
上拉/下拉寄存器：配置内部的上拉或下拉电阻。防止引脚浮空，产生不确定电平。
中断寄存器：配置引脚的中断触发方式，比如上升沿、下降沿、高电平、低电平。

我在项目中遇到过一个问题：某款芯片的GPIO默认是输入模式，而且内部下拉电阻是使能的。结果我直接配置成输出，发现电平拉不高。查了半天，原来是下拉电阻在作怪。所以，操作GPIO前，一定要先搞清楚复位状态。

核心要点：GPIO控制器的本质，就是一组内存映射的寄存器。你往特定地址写值，就能控制引脚。读特定地址，就能获取引脚状态。

3.2 Linux GPIO子系统框架

Linux内核为了统一管理GPIO，搞了一套GPIO子系统。这套框架分三层：

GPIO控制器驱动层：这是芯片厂商要写的。负责操作具体的硬件寄存器。
GPIO核心层：内核提供的通用接口。管理GPIO的申请、释放、方向设置、读写等。
GPIO使用者层：其他驱动或用户空间程序。通过标准API来使用GPIO。

你想想看，如果没有这个框架，每个驱动都直接操作寄存器，那代码得多乱？而且不同芯片的寄存器地址还不一样，移植起来简直要命。

我个人习惯，在写GPIO驱动前，先看看芯片手册里的GPIO控制器章节。重点关注寄存器偏移地址和位定义。然后对照内核里的pinctrl子系统和GPIO子系统，看看有没有现成的驱动可以参考。

小提示：现在的SoC，GPIO通常和pinctrl（引脚控制）绑定在一起。配置GPIO时，往往要先通过pinctrl把引脚复用成GPIO功能。这个顺序别搞反了。

3.3 编写简单的GPIO驱动

好，理论说完了，咱们来点实际的。写一个最简单的GPIO驱动，控制一个LED灯闪烁。

首先，你得在设备树里描述GPIO资源。比如：

led-gpios = &gpio1 15 GPIO_ACTIVE_HIGH;

这行代码的意思是：使用gpio1控制器的第15号引脚，高电平有效。

然后，在驱动代码里，通过GPIO子系统API来操作：

#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>

static int led_gpio;
static struct timer_list led_timer;

static void led_timer_callback(struct timer_list *t)
{
    int val;

    val = gpio_get_value(led_gpio);
    gpio_set_value(led_gpio, !val);

    mod_timer(&led_timer, jiffies + msecs_to_jiffies(500));
}

static int led_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct device *dev = &pdev->dev;

    led_gpio = of_get_named_gpio(dev->of_node, "led-gpios", 0);
    if (!gpio_is_valid(led_gpio)) {
        dev_err(dev, "invalid GPIO\n");
        return -EINVAL;
    }

    gpio_request(led_gpio, "led");
    gpio_direction_output(led_gpio, 0);

    timer_setup(&led_timer, led_timer_callback, 0);
    mod_timer(&led_timer, jiffies + msecs_to_jiffies(500));

    return 0;
}

static int led_remove(struct platform_device *pdev)
{
    gpio_set_value(led_gpio, 0);
    gpio_free(led_gpio);
    del_timer(&led_timer);

    return 0;
}

static const struct of_device_id led_of_match[] = {
    { .compatible = "my-led-driver" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, led_of_match);

static struct platform_driver led_driver = {
    .probe  = led_probe,
    .remove = led_remove,
    .driver = {
        .name = "my_led",
        .of_match_table = led_of_match,
    },
};
module_platform_driver(led_driver);

这段代码做了几件事：

从设备树里获取GPIO编号。
申请GPIO资源，并设置为输出，初始低电平。
启动一个定时器，每500ms翻转一次GPIO电平。
卸载驱动时，释放GPIO并停止定时器。

注意：gpio_request()一定要检查返回值。我曾经在一个项目里忘了检查，结果GPIO被其他驱动占用了，导致两个驱动互相干扰，系统行为变得很奇怪。这种bug很难查，因为现象不固定。

嗯，这里还要提一点。现在的内核更推荐使用GPIO描述符（Descriptor）接口，而不是传统的整数接口。比如用gpiod_get()代替gpio_request()。好处是更安全，能自动处理设备树里的极性标志。

举个例子：

struct gpio_desc *led_desc;

led_desc = gpiod_get(dev, "led", GPIOD_OUT_LOW);
if (IS_ERR(led_desc)) {
    return PTR_ERR(led_desc);
}

gpiod_set_value(led_desc, 1);  // 输出高电平
gpiod_set_value(led_desc, 0);  // 输出低电平

你看，代码更简洁了。而且gpiod_set_value()会自动处理GPIO_ACTIVE_LOW的情况。如果你在设备树里标记了低电平有效，那写1时，引脚实际输出的是低电平。这个细节，很多新手会忽略。

最后，总结一下GPIO驱动的开发流程：

第一步：看芯片手册，了解GPIO控制器的寄存器布局。
第二步：配置设备树，描述GPIO资源。
第三步：在probe函数里，通过GPIO子系统API申请和配置GPIO。
第四步：实现具体的功能逻辑。
第五步：在remove函数里，释放GPIO资源。

我曾经见过一个驱动，probe里申请了GPIO，但remove里忘了释放。结果模块卸载后，那个GPIO还处于被占用的状态，其他驱动用不了。这种问题，用gpioinfo命令一看就能发现。

好了，GPIO驱动的基础就这些。下一章，咱们聊聊更复杂的中断驱动。到时候你会发现，GPIO中断的配置，其实也是GPIO驱动的一部分。

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