第四章 GPIO驱动开发：从寄存器到用户态的全链路实战

GPIO，说白了就是芯片最基础的“手脚”。拉高拉低，检测中断，控制外设，样样离不开它。我在海思平台上做过不下几十个GPIO相关的驱动，从简单的LED闪烁到复杂的按键中断唤醒，踩过的坑还真不少。今天咱们就把GPIO驱动开发的完整链路捋一遍。

4.1 GPIO控制器寄存器映射

海思芯片的GPIO控制器，通常挂在APB总线上。每个GPIO bank管理8个或16个引脚。我个人习惯，拿到芯片手册第一件事就是看寄存器基地址和偏移。

典型的GPIO寄存器包括：

  • SW_PORT_DR：数据寄存器，写1输出高，写0输出低
  • SW_PORT_DDR：方向寄存器，1为输出，0为输入
  • EXT_PORT：外部引脚状态寄存器，读引脚实际电平
  • INTEN：中断使能寄存器
  • INT_TYPE：中断触发类型（电平/边沿）
  • INT_POLARITY：中断极性（高/低，上升/下降）
  • INT_STATUS：中断状态寄存器，写1清中断

嗯，这里要注意：海思的GPIO寄存器地址映射，不同芯片系列可能不一样。比如Hi3516和Hi3559的基地址就不同。我建议你写驱动时，把基地址定义成宏，方便移植。

/* 以Hi3516DV300为例 */
#define GPIO0_BASE          0x120D0000
#define GPIO1_BASE          0x120D1000
#define GPIO2_BASE          0x120D2000

#define GPIO_SW_PORT_DR     0x0000
#define GPIO_SW_PORT_DDR    0x0004
#define GPIO_EXT_PORT       0x0040
#define GPIO_INTEN          0x0070
#define GPIO_INT_TYPE       0x0074
#define GPIO_INT_POLARITY   0x0078
#define GPIO_INT_STATUS     0x007C

/* 寄存器映射 */
static void __iomem *gpio_base;
gpio_base = ioremap(GPIO0_BASE, 0x1000);
我曾经踩过的坑：ioremap之后忘记检查返回值，结果内核直接panic。后来我养成了习惯，每次ioremap后都加个if (!gpio_base) return -ENOMEM。

4.2 通用GPIO操作接口

内核提供了标准的GPIO操作接口，说白了就是gpiolib那一套。但海思平台有些特殊需求，比如快速翻转、批量操作，这时候我会自己封装底层函数。

4.2.1 高低电平控制

/* 设置GPIO输出高电平 */
static inline void gpio_set_high(unsigned int gpio)
{
    unsigned int bank = gpio / 8;
    unsigned int pin = gpio % 8;
    void __iomem *base = gpio_bases[bank];
    
    writel(readl(base + GPIO_SW_PORT_DR) | (1 << pin), 
           base + GPIO_SW_PORT_DR);
}

/* 设置GPIO输出低电平 */
static inline void gpio_set_low(unsigned int gpio)
{
    unsigned int bank = gpio / 8;
    unsigned int pin = gpio % 8;
    void __iomem *base = gpio_bases[bank];
    
    writel(readl(base + GPIO_SW_PORT_DR) & ~(1 << pin), 
           base + GPIO_SW_PORT_DR);
}

/* 读取GPIO电平 */
static inline int gpio_get_value(unsigned int gpio)
{
    unsigned int bank = gpio / 8;
    unsigned int pin = gpio % 8;
    void __iomem *base = gpio_bases[bank];
    
    return (readl(base + GPIO_EXT_PORT) >> pin) & 0x1;
}

你想想看，为什么读引脚要用EXT_PORT而不是SW_PORT_DR？因为SW_PORT_DR是你写进去的值，而EXT_PORT才是引脚实际的电平。我见过有人读SW_PORT_DR来判断外部电平，结果死活读不对。

4.2.2 中断配置

GPIO中断是驱动开发的重点。海思的GPIO中断控制器支持多种触发方式。我个人习惯把中断配置封装成一个函数，参数清晰明了。

/* GPIO中断配置结构体 */
struct gpio_irq_config {
    unsigned int gpio;
    int trigger;  /* 0: 低电平, 1: 高电平, 2: 下降沿, 3: 上升沿, 4: 双边沿 */
    int enable;
};

/* 配置GPIO中断 */
static int gpio_irq_configure(struct gpio_irq_config *cfg)
{
    unsigned int bank = cfg->gpio / 8;
    unsigned int pin = cfg->gpio % 8;
    void __iomem *base = gpio_bases[bank];
    u32 val;
    
    /* 设置触发类型：0-电平，1-边沿 */
    val = readl(base + GPIO_INT_TYPE);
    if (cfg->trigger & 0x2)  /* 边沿触发 */
        val |= (1 << pin);
    else
        val &= ~(1 << pin);
    writel(val, base + GPIO_INT_TYPE);
    
    /* 设置极性 */
    val = readl(base + GPIO_INT_POLARITY);
    if (cfg->trigger & 0x1)  /* 高电平/上升沿 */
        val |= (1 << pin);
    else
        val &= ~(1 << pin);
    writel(val, base + GPIO_INT_POLARITY);
    
    /* 使能/禁能中断 */
    val = readl(base + GPIO_INTEN);
    if (cfg->enable)
        val |= (1 << pin);
    else
        val &= ~(1 << pin);
    writel(val, base + GPIO_INTEN);
    
    return 0;
}
小技巧：中断服务函数里，记得先读INT_STATUS确认中断源，处理完再写1清中断。不清中断会导致一直触发，CPU直接跑飞。我刚开始做驱动时，就因为这个查了三天。

4.3 设备树GPIO节点配置

海思平台现在都用设备树来描述硬件。GPIO节点的配置，说白了就是告诉内核：哪个引脚、什么功能、要不要上拉。

/* 设备树GPIO控制器节点 */
gpio0: gpio@120d0000 {
    compatible = "hisilicon,hi3516-gpio";
    reg = <0x120d0000 0x1000>;
    interrupts = <0 64 4>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;
    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <2>;
};

/* 用户设备使用GPIO */
my_device {
    compatible = "my-company,my-device";
    
    /* 使用GPIO0_3作为输出，控制LED */
    led-gpios = <&gpio0 3 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    
    /* 使用GPIO1_5作为输入中断，检测按键 */
    key-gpios = <&gpio1 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;
    interrupt-parent = <&gpio1>;
    interrupts = <5 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;
};

嗯，这里要注意#gpio-cells = <2>的含义。第一个cell是引脚号，第二个cell是标志位（比如GPIO_ACTIVE_HIGH/LOW）。我在项目中遇到过，有人把cells设成3，结果解析出来的GPIO号全乱了。

4.4 用户态GPIO控制

有时候我们不想写内核驱动，直接在用户态控制GPIO。海思平台支持两种方式：老的sysfs接口和新的gpiolib字符设备接口。

4.4.1 sysfs接口（传统方式）

sysfs接口操作简单，但效率低。我一般用来调试，正式产品很少用。

# 导出GPIO
echo 24 > /sys/class/gpio/export

# 设置方向
echo out > /sys/class/gpio/gpio24/direction

# 输出高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio24/value

# 读取电平
cat /sys/class/gpio/gpio24/value

# 释放GPIO
echo 24 > /sys/class/gpio/unexport
我曾经踩过的坑：sysfs接口在多个进程同时操作同一个GPIO时，会出现竞争。比如一个进程在写value，另一个在读，读到的可能是旧值。所以产品中我强烈建议用gpiolib字符设备接口。

4.4.2 gpiolib字符设备接口（推荐方式）

gpiolib字符设备接口是内核推荐的方式。它通过ioctl操作，支持批量读写、事件监听，性能好很多。

#include <linux/gpio.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>

int gpio_control(int gpio, int value)
{
    struct gpiohandle_request req;
    struct gpiohandle_data data;
    int fd, ret;
    
    /* 打开GPIO字符设备 */
    fd = open("/dev/gpiochip0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open gpiochip0");
        return -1;
    }
    
    /* 请求GPIO为输出 */
    req.flags = GPIOHANDLE_REQUEST_OUTPUT;
    req.lines = 1;
    req.lineoffsets[0] = gpio;
    req.default_values[0] = value;
    strcpy(req.consumer_label, "my-app");
    
    ret = ioctl(fd, GPIO_GET_LINEHANDLE_IOCTL, &req);
    if (ret < 0) {
        perror("ioctl get line handle");
        close(fd);
        return -1;
    }
    
    /* 设置输出值 */
    data.values[0] = value;
    ret = ioctl(req.fd, GPIOHANDLE_SET_LINE_VALUES_IOCTL, &data);
    if (ret < 0) {
        perror("ioctl set line values");
    }
    
    close(req.fd);
    close(fd);
    return ret;
}

你想想看，为什么gpiolib接口比sysfs好？因为它支持事件监听。比如你要检测按键按下，用sysfs你得轮询，用gpiolib可以注册事件，有中断才通知你，CPU占用率低很多。

4.5 实战经验总结

做GPIO驱动开发，我总结了几个要点：

  • 寄存器操作要加锁：多核CPU下，不加锁会导致寄存器读写错乱。我习惯用spinlock保护寄存器操作。
  • 中断服务要快：GPIO中断服务函数里，只做最必要的操作。复杂逻辑放到工作队列或tasklet里。
  • 设备树要规范：GPIO的命名、极性、中断类型，都要在设备树里明确。别在驱动里硬编码。
  • 用户态接口选型：调试用sysfs，产品用gpiolib字符设备。

核心要点：GPIO驱动看似简单，但涉及寄存器映射、中断处理、设备树配置、用户态接口等多个层面。每个环节都有坑，但只要掌握了底层原理，遇到问题就能快速定位。我在海思平台上，用这套方法解决过不下50个GPIO相关的bug。

好了，GPIO驱动开发就讲到这里。下一章咱们聊聊I2C驱动开发，那个比GPIO复杂多了，但套路是一样的。记住：先看手册，再写代码，最后测试。别问我怎么知道的，都是血泪教训。

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