第三章 GPIO子系统与LED驱动：GPIO子系统框架、设备树GPIO描述、实现一个简单的LED驱动、用户空间控制接口

3.1 GPIO子系统框架——内核里的“万能接口”

做嵌入式开发这么多年，我越来越觉得GPIO是个神奇的东西。说白了，它就是芯片上那些可以拉高拉低的引脚。但你别小看它，从点亮一个LED到控制电机，从读取按键到模拟I2C协议，几乎每个外设都离不开GPIO。

在Linux内核里，GPIO被抽象成了一个子系统。为什么要这么做？你想想看，不同厂家的芯片，GPIO控制寄存器地址不一样，操作方式也不同。如果没有统一框架，驱动开发者每换一个平台就得重写一遍代码，那得多痛苦。

GPIO子系统的核心思想就四个字：分层抽象。它把硬件相关的部分封装在底层，向上提供统一的API。我习惯把它的架构分成三层：

  • GPIO控制器驱动层：这是芯片厂商要干的活。他们需要实现gpio_chip结构体，注册到内核。说白了就是告诉内核：“我这颗芯片有32个GPIO，地址从0x1000开始，读写的函数我都写好了。”
  • GPIO核心层：内核自己维护的中间层。它管理所有注册进来的gpio_chip，提供gpio_request()、gpio_direction_output()这些通用接口。
  • GPIO使用者层：也就是我们驱动开发者调用的地方。你不需要关心底层寄存器，直接调用gpio_set_value()就能控制引脚电平。

核心数据结构：gpio_chip

每个GPIO控制器对应一个gpio_chip实例。里面包含了该控制器的基本信息，比如基地址、引脚数量、操作函数指针等。我刚开始接触时，总觉得这个结构体字段太多，后来发现其实常用的就那几个。

struct gpio_chip {
    const char      *label;
    struct device   *parent;
    int             base;       // GPIO编号的起始值
    int             ngpio;      // 该控制器管理的GPIO数量
    int             (*request)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    int             (*direction_input)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    int             (*direction_output)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
    int             (*get)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    void            (*set)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
    // ... 还有其他字段，但上面这些是最核心的
};

嗯，这里要注意：base字段决定了这个控制器的GPIO在系统中的编号范围。比如base=100，ngpio=32，那这个控制器的引脚编号就是100到131。不过现在内核推荐用动态分配，让系统自动分配base值。

3.2 设备树中的GPIO描述——硬件信息的“身份证”

设备树（Device Tree）是什么？我打个比方：它就像硬件的身份证，告诉内核“我这块板子上有哪些外设，它们连在哪个GPIO上”。在ARM平台下，设备树几乎是标配了。

描述一个GPIO引脚，通常需要三个信息：GPIO控制器、引脚编号、引脚标志。设备树里用gpios或<name>-gpios属性来描述。举个例子：

// 设备树节点示例
led-red {
    compatible = "gpio-leds";
    label = "red-led";
    gpios = <&gpio1 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    default-state = "off";
};

这里&gpio1引用的是GPIO控制器节点，15是引脚编号，GPIO_ACTIVE_HIGH表示高电平有效。我在项目中遇到过一个问题：有人把GPIO_ACTIVE_HIGH写成了GPIO_ACTIVE_LOW，结果LED死活不亮，查了半天才发现是电平极性搞反了。

设备树里还有几个常用的宏定义：

宏定义 值 说明
GPIO_ACTIVE_HIGH 0 高电平有效
GPIO_ACTIVE_LOW 1 低电平有效
GPIO_OPEN_DRAIN 2 开漏输出
GPIO_OPEN_SOURCE 4 开源输出

小技巧：在设备树里描述GPIO时，我建议把引脚编号和控制器分开写，不要硬编码。比如用&gpio1 15而不是直接写47（假设gpio1的base是32）。这样代码可读性更高，也方便移植。

3.3 实现一个简单的LED驱动——从零开始点亮一盏灯

好了，理论说完了，咱们动手写个驱动。这个驱动要做的事很简单：控制一个LED的亮灭。但麻雀虽小五脏俱全，它包含了GPIO驱动开发的完整流程。

我个人的习惯是，先看硬件原理图。比如LED接在GPIO1_15上，高电平点亮。那驱动里要做的就是：请求GPIO、设置方向为输出、设置电平。

先看完整的驱动代码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/of.h>

struct led_device {
    struct gpio_desc *led_gpio;
};

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

    led = devm_kzalloc(dev, sizeof(*led), GFP_KERNEL);
    if (!led)
        return -ENOMEM;

    // 从设备树获取GPIO描述符
    led->led_gpio = devm_gpiod_get(dev, NULL, GPIOD_OUT_LOW);
    if (IS_ERR(led->led_gpio)) {
        dev_err(dev, "Failed to get GPIO\n");
        return PTR_ERR(led->led_gpio);
    }

    // 设置GPIO方向为输出，初始值为低电平
    gpiod_direction_output(led->led_gpio, 0);

    platform_set_drvdata(pdev, led);

    // 点亮LED
    gpiod_set_value(led->led_gpio, 1);

    dev_info(dev, "LED driver initialized\n");
    return 0;
}

static int led_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct led_device *led = platform_get_drvdata(pdev);

    // 熄灭LED
    gpiod_set_value(led->led_gpio, 0);

    dev_info(&pdev->dev, "LED driver removed\n");
    return 0;
}

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

static struct platform_driver led_driver = {
    .probe  = led_probe,
    .remove = led_remove,
    .driver = {
        .name = "my_led_driver",
        .of_match_table = led_of_match,
    },
};

module_platform_driver(led_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple LED driver using GPIO descriptor");

这段代码里，我用了devm_gpiod_get()而不是老式的gpio_request()。为什么？因为devm_系列函数是设备资源管理接口，它会自动释放资源，省去了手动释放的麻烦。我曾经在项目里因为忘记调用gpio_free()导致内存泄漏，后来全部改用devm_系列，再也没出过问题。

对应的设备树节点要这样写：

my-led {
    compatible = "my-led-driver";
    gpios = <&gpio1 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};

注意：设备树里的compatible属性必须和驱动里的of_device_id完全匹配，大小写都不能错。我见过有人把"my-led-driver"写成了"my_led_driver"，结果驱动加载时根本匹配不上，内核日志里也找不到任何错误信息，排查起来特别费劲。

3.4 用户空间控制接口——让应用程序也能操作GPIO

驱动写好了，但怎么让用户空间的程序来控制LED呢？Linux提供了几种方式：

  • /sys/class/gpio：老式的sysfs接口，现在逐渐被淘汰了。
  • /dev/gpiochipX：通过ioctl操作，更灵活，但需要写C程序。
  • libgpiod：新式的用户空间库，推荐使用。

我个人推荐用libgpiod。它提供了命令行工具和C库，用起来非常方便。比如控制LED亮灭：

# 查看系统中的GPIO芯片
gpiodetect

# 查看gpiochip0的引脚信息
gpioinfo gpiochip0

# 设置gpiochip0的第15脚为输出，并输出高电平
gpioset gpiochip0 15=1

# 读取gpiochip0的第15脚电平
gpioget gpiochip0 15

如果你想在应用程序里控制，可以这样写：

#include <gpiod.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    struct gpiod_chip *chip;
    struct gpiod_line *line;
    int ret;

    // 打开GPIO芯片
    chip = gpiod_chip_open_by_number(0);
    if (!chip) {
        perror("Open chip failed");
        return -1;
    }

    // 获取第15脚
    line = gpiod_chip_get_line(chip, 15);
    if (!line) {
        perror("Get line failed");
        gpiod_chip_close(chip);
        return -1;
    }

    // 设置为输出，初始值高电平
    ret = gpiod_line_request_output(line, "my-app", 1);
    if (ret < 0) {
        perror("Request output failed");
        gpiod_chip_close(chip);
        return -1;
    }

    // 设置低电平（熄灭LED）
    gpiod_line_set_value(line, 0);

    // 清理
    gpiod_line_release(line);
    gpiod_chip_close(chip);

    return 0;
}

编译时需要链接libgpiod：gcc -o led_control led_control.c -lgpiod

避坑指南：我曾经在项目里直接用system()调用gpioset命令来控制LED，结果发现每次调用都有几百毫秒的延迟。后来改用libgpiod的C库接口，延迟降到了微秒级。所以，如果你对性能有要求，千万别偷懒用命令行工具。

好了，这一章的内容就到这里。从GPIO子系统的框架，到设备树的描述，再到驱动实现和用户空间接口，我们完整地走了一遍。下一章我会讲中断子系统，那是处理按键、传感器等事件的关键技术，敬请期待。

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