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Pinctrl子系统和GPIO子系统

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Linux内核提供了pinctrl子系统和gpio子系统用于GPIO驱动。pinctrl子系统就是设置引脚的复用关系和电气属性的，GPIO子系统就是当pinctrl子系统将复用关系设置为GPIO以后，我们使用GPIO子系统来操作我们的GPIO

GPIO子系统在之前的内核中也是存在的，但是pinctrl子系统的加入GPIO子系统也是有很大的改变，之前的GPIO子系统需要芯片厂商提供的mach文件，而加入设备树后，GPIO子系统使用设备树来实现。

Pinctrl子系统

pinctrl子系统是随着设备树的加入而加入的，依赖于设备树。

  • 源码目录drivers/pinctrl
  • NXP的pinctrl子系统配置如下（不同厂家的pin controller的节点里面的属性都可以通过Linux源码/Documentation/devicetree/bindings下的txt文档查看。）
pinctrl_tsc: tscgrp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_GPIOIO1_IO01__GPIO1_IO01 0xb0
        MX6UL_PAD_GPIOI_O1_IO02__GPIO1_IO02 0xb0
        MX6UL_PAD_GPIO1_I_O03__GPIO1_IO03 0xb0
        MX6UL_PAD_GPIO1_I_O04__GPIO1_IO04 0xb0
    >;
};
 
pinctrl_uart1: uartgrp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_UART1_TX_DATA__UART1_DCE_TX 0x1b0b1
        MX6UL_PAD_UART1_RX_DATA__UART1_DCE_RX 0x1b0b1
    >;
};
 
pinctrl_uart2: uart2grp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_UART2_TX_DATA__UART2_DCE_TX 0x1b0b1
        MX6UL_PAD_UART2_RX_DATA__UART2_DCE_RX 0x1b0b1
        MX6UL_PAD_UART3_RX_DATA__UART2_DCE_RTS 0x1b0b1
        MX6UL_PAD_UART3_TX_DATA__UART2_DCE_CTS 0x1b0b1
    >;
};

主要作用

  • 获取设备树中pin信息：管理系统中所有可控制的pin，在系统初始化时，枚举所有可以控制的pin，并标识。
  • 设置pin的引脚复用功能：若个引脚可以组成pin group，实现特定功能
  • 设置pin电气特性：比如上拉、速度、驱动能力

只需在设备树中设置对应pin的属性，其余初始化工作由pinctrl子系统完成

配置

以设备树文件中的iomux节点为例

panel@0 {
                compatible = "itop_mipi_screen";
                reg = <0>;
                pinctrl-0 = <&pinctrl_mipi_dsi_en>;
                reset-gpio = <&gpio1 8 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
                dsi-lanes = <4>;
                video-mode = <2>;       /* 0: burst mode
                                        * 1: non-burst mode with sync event
                                        * 2: non-burst mode with sync pulse
                                        */
                panel-width-mm = <68>;
                panel-height-mm = <121>;
 
                status = "okay";/*"okay";*/
 
&iomuxc
{
    pinctrl_mipi_dsi_en: mipi_dsi_en {
            fsl,pins = <
                MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8       0x16
            >;
        };
        ......
    }；

iomuxc 节点就是 I.MX8MM的 IOMUXC 外设对应的节点，不同的外设使用的PIN不同，配置也不同

  • GPIO1_IO08的配置信息如下所示：
MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8 0x16
  • 引脚的配置部分分为俩部分：MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8和0x16
  • 对于一个引脚来说，配置主要包括两方面
  • 一个是设置这个引脚的复用功能，一个是设置这个引脚的电气特性
  • MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8和0x16，一个是设置GPIO1_IO08的复用功能，一个是用来设置GPIO1_IO08的电气特性。
  • MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8，这是一个宏定义，定义在linux/uboot-imx/arch/arm/dts/include/dt-bindings/pinctrl/pins-imx8mm.h文件中。设备树文件会引用这个头文件。
  • MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8的宏定义内容如下所示
#define MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO08              0x048 0x2B0 0x0000 0x00 0x00 
#define MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_ENET1_1588_EVENT0_IN    0x048 0x2B0 0x0000 0x01 0x00 
#define MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_CCM_SRC_GP_CMIX_WAIT    0x048 0x2B0 0x0000 0x05 0x00 
#define MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_QSPI_TEST_TRIG          0x048 0x2B0 0x0000 0x06 0x00

通过参考手册可知：上述宏定义分别对应GPIO1_IO08这个引脚的8个复用IO

  • MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8表示将GPIO1_IO8这个IO复用为GPIO1_IO8
  • 0x048：mux_reg 复用寄存器的偏移地址，设备树中的 iomuxc 节点就是 IOMUXC 外设对应的节点，根据其 reg 属性可知 IOMUXC 外设寄存器起始地址为 0x30330000。⇒MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8 复用寄存器地址为0x30330000+0x0048=0x30330048
  • 0x02B0：conf_reg 寄存器偏移地址，同mux_reg，寄存器IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO08的地址0x30330000+0x02B0=0x303302B0。
  • 0x000：input_reg寄存器偏移地址，有些外设有 input_reg 寄存器，没有的话就不需要设置。
  • 0x0：mux_reg 寄存器值，用于设置 IO 复用模式，这里设置为 0x0，就相当于设置复用功能为ENET1_RX_EN。
  • 0x0：input_reg 寄存器值，在这里无效。
  • MX8MM_IOMUXC_GPIO1_IO08_GPIO1_IO8 0x16： config_reg寄存器是设置一个PIN 的电气特性的，由用户设置，实现设置一个IO的上下拉，驱动能力，和速度。

调用

调用 pinctrl 一般在设备树中进行

配置引脚为 GPIO的通用流程

  • 在 IOMUXC/pinctrl 中对某一个引脚进行配置，两个部分（复用、初始化），在外设节点中调用
  • 在驱动中获取设备节点以及 GPIO
  • 对GPIO进行配置

使用pin controller里面定义的节点

pinctrl-names = "default"; 
pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1>;
  • pinctrl-names = "default"; 设备的状态，可以有多个状态，default为状态0
  • pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1>;第0个状态所对应的引脚配置，也就是default状态对应的引脚在pin controller里面定义好的节点pinctrl_hog_1里面的管脚配置。
pinctrl-names = "default"，"wake up";
pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1>;
pinctrl-1 = <&pinctrl_hog_2>;
  • pinctrl-names = "default"，"wake up"; default为状态0，wake up为状态1
  • pinctrl-1 = <&pinctrl_hog_2>;第1个状态所对应的引脚配置，也就是wake up状态对应的引脚在pin controller里面定义好的节点pinctrl_hog_2里的管脚配置
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1
&pinctrl_hog_2>;
  • pinctrl-names = "default"; 设备的状态，可以有多个状态，default为状态0
  • pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1 &pinctrl_hog_2>;第0个状态所对应的引脚配置，也就是default状态对应的引脚在pin controller里面定义好的节点,对应pinctrl_hog_1和pinctrl_hog_2这俩个节点的管脚配置。

GPIO子系统

当我们使用pinctrl子系统将引脚的复用关系设置为GPIO以后，就可以使用GPIO子系统来操作GPIO

作用

在引入设备树后对GPIO子系统进行了大的改造，使用设备树来实现并提供统一的接口。通过 GPIO 子系统功能要实现：

  • 引脚功能的配置：设置为 GPIO，特殊功能，GPIO 的方向，设置为中断等
  • 实现软硬件的分离：分离出硬件差异，有厂商提供的底层支持；软件分层。驱动只需要调用接口 API 即可操作 GPIO
  • iommu 内存管理：直接调用宏即可操作 GPIO

通过 GPIO 子系统，我们可以通过如下的方式来配置 GPIO

gpio_request(leddev.led0, "led0");
gpio_direction_output(leddev.led0, 1);
gpio_set_value(leddev.led0, 0);
gpio_direction_input(key.irqkeydesc[0].gpio);
gpio_get_value(keydesc->gpio);
gpio_free(leddev.led0);

常用函数

gpio_request()

/**
 * gpio_request - Request an GPIO for use by the caller
 * @gpio: The GPIO number to request
 * @label: A label for the consumer of this GPIO
 *
 * This function is used to request an GPIO for use by the caller. The
 * GPIO number can be obtained from the device tree using the
 * of_get_named_gpio function, which returns the GPIO number.
 * The label is used to identify the consumer of this GPIO.
 * Returns 0 if the request is successful, or another value if it fails.
 */
int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);

gpio_free()

/**
 * gpio_free - Release an GPIO previously requested by gpio_request
 * @gpio: The GPIO number to release
 *
 * This function is used to release an GPIO that is no longer needed.
 * It should be called when the GPIO is no longer required by the caller.
 */
void gpio_free(unsigned gpio);

gpio_direction_input()

/**
 * gpio_direction_input - Set the direction of an GPIO to input
 * @gpio: The GPIO number to set as input
 *
 * This function is used to set the direction of an GPIO to input.
 * Returns 0 if the direction is set successfully, or a negative value if it fails.
 */
int gpio_direction_input(unsigned gpio);

gpio_direction_output()

/**
 * gpio_direction_output - Set the direction of an GPIO to output and set the default output value
 * @gpio: The GPIO number to set as output
 * @value: The default output value for the GPIO
 *
 * This function is used to set the direction of an GPIO to output and
 * set the default output value. Returns 0 if the direction and value
 * are set successfully, or a negative value if it fails.
 */
int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);

gpio_get_value()

/**
 * gpio_get_value - Get the value of an GPIO
 * @gpio: The GPIO number to get the value from
 *
 * This function is used to get the value of an GPIO. It returns the
 * GPIO value (0 or 1) if successful, or a negative value if it fails.
 */
int __gpio_get_value(unsigned gpio);

gpio_set_value()

/**
 * gpio_set_value - Set the value of an GPIO
 * @gpio: The GPIO number to set the value for
 * @value: The value to set the GPIO to
 *
 * This function is used to set the value of an GPIO. It does not return
 * a value, but will perform the operation on the specified GPIO.
 */
void __gpio_set_value(unsigned gpio, int value);

of_get_named_gpio()

/**
 * of_get_named_gpio - Get the GPIO number from the device tree
 * @np: The device node to get the GPIO number from
 * @propname: The property name containing the GPIO information
 * @index: The index of the GPIO to get the number for
 *
 * This function is used to get the GPIO number from the device tree.
 * It returns the GPIO number if successful, or a negative value if it fails.
 * The GPIO number is required for other GPIO API functions in the Linux kernel.
 */
int of_get_named_gpio(struct device_node *np, const char *propname, int index);

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