Linux驱动开发实战（九）：Linux内核pinctrl_map详解与优势分析

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Linux驱动开发实战（九）：Linux内核pinctrl_map详解与优势分析
前言
回顾一下什么是pinctrl
pinctrl_map详解
pinctrl_map的优势
- [1. 与传统硬编码方式对比](#1. 与传统硬编码方式对比)
- [2. 与芯片厂商专有驱动对比](#2. 与芯片厂商专有驱动对比)
- [3. 设计优势](#3. 设计优势)
- - [3.1 抽象和分离](#3.1 抽象和分离)
  - [3.2 系统集成](#3.2 系统集成)
  - [3.3 灵活性](#3.3 灵活性)
在驱动开发中的应用
总结

前言

在嵌入式Linux开发中，引脚控制pinctrl是一个非常重要的概念。无论是开发板级支持包(BSP)还是设备驱动，我们都需要正确配置芯片引脚的功能和电气特性。本文将深入分析Linux内核中的pinctrl_map机制，解析其工作原理，并与传统引脚控制方式进行对比，展示其在现代嵌入式系统开发中的优势

回顾一下什么是pinctrl

现代SoC(片上系统)的物理引脚通常支持多种功能。例如，同一个引脚可能既可以作为GPIO(通用输入输出)，也可以作为I2C、SPI或UART等接口的一部分。如何选择和配置这些引脚的功能，就是pinctrl子系统要解决的问题。

Linux内核中的pinctrl子系统负责：

引脚复用(pinmux)：选择引脚的功能
引脚配置(pinconf)：设置引脚的电气特性(如上拉/下拉电阻、驱动强度等)
引脚分组(pin groups)：管理相关引脚的集合

pinctrl_map详解

基本概念

pinctrl_map是Linux内核中的一个数据结构，用于描述引脚如何被配置。每个pinctrl_map描述一条配置信息，包括以下关键信息：

类型：主要有两种类型
- PIN_MAP_TYPE_MUX_GROUP：配置引脚的复用功能
- PIN_MAP_TYPE_CONFIGS_PIN：配置引脚的具体参数
名称：设备或引脚的标识符
配置数据：具体的配置值

核心数据结构

pinctrl_map的定义如下：

c 复制代码

struct pinctrl_map {
    const char *dev_name; /* 设备名 */
    const char *name;     /* 状态名或引脚名 */
    enum pinctrl_map_type type; /* 映射类型 */
    
    union {
        struct pinctrl_map_mux mux; /* 复用信息 */
        struct pinctrl_map_configs configs; /* 配置信息 */
    } data;
};

工作流程

当内核启动或设备被激活时，pinctrl_map的工作流程如下：

读取配置信息：

从设备树(Device Tree)或板级配置文件中读取引脚配置信息
这些信息定义了哪些引脚应该被配置为什么功能

创建映射：

pinctrl_dt_to_map()函数将设备树的配置信息转换为pinctrl_map结构
通常会为一个设备创建多个pinctrl_map条目

验证和注册：

pinmux_validate_map()和pinconf_validate_map()确保配置有效
然后通过pinctrl_register_map()注册到系统

应用配置：

当设备被激活时，系统会应用相应的pinctrl_map配置

实际示例

以UART设备为例，假设我们需要使用芯片上的两个引脚(TX和RX)：

c 复制代码

// 伪代码：创建pinctrl_map
// 设置引脚功能为UART
map[0].type = PIN_MAP_TYPE_MUX_GROUP;
map[0].name = "uart1";
map[0].data.mux.function = "uart";
map[0].data.mux.group = "uart1_pins";

// TX引脚电气特性配置
map[1].type = PIN_MAP_TYPE_CONFIGS_PIN;
map[1].name = "uart1";
map[1].data.configs.pin_name = "tx";
map[1].data.configs.configs = {驱动强度, 上拉电阻等};

// RX引脚电气特性配置
map[2].type = PIN_MAP_TYPE_CONFIGS_PIN;
map[2].name = "uart1";
map[2].data.configs.pin_name = "rx";
map[2].data.configs.configs = {驱动强度, 上拉电阻等};

pinctrl_map的优势

与传统的引脚控制方法相比，pinctrl_map提供了多方面的优势：

1. 与传统硬编码方式对比

传统硬编码方式:

c 复制代码

// 直接操作硬件寄存器
GPIOA->MODER |= (1 << 10);  // 设置引脚为输出模式
GPIOA->PUPDR |= (2 << 10);  // 设置引脚为下拉

pinctrl_map方式:

声明式配置，无需了解寄存器细节
配置与驱动分离，可在设备树中定义
硬件变更时只需修改底层驱动，应用代码无需变动

2. 与芯片厂商专有驱动对比

芯片厂商专有驱动:

不同芯片的API不同，无统一标准
跨平台开发困难，需要学习多套API
代码可移植性差

pinctrl_map框架:

提供统一的抽象层和API
驱动开发人员使用一致的接口
大幅提高代码可移植性和复用性

3. 设计优势

3.1 抽象和分离

硬件抽象: 隐藏底层硬件细节，提供统一接口
关注点分离: 引脚配置与业务逻辑分离，使驱动代码更简洁
声明式配置: 可以在设备树中以声明方式配置，而非命令式

3.2 系统集成

与设备生命周期绑定: 引脚配置与设备生命周期关联，自动管理
上下文感知: 可根据系统状态(如休眠、唤醒)自动切换引脚配置
冲突检测: 可以检测并防止引脚配置冲突

3.3 灵活性

多状态支持: 一个设备可以有多种引脚状态(如"default"、"sleep"等)
动态切换: 可在运行时切换引脚状态
组管理: 可以批量管理一组相关引脚

在驱动开发中的应用

在实际的驱动开发中，我们通常不需要直接操作pinctrl_map，而是：

在设备树中定义引脚配置:

c 复制代码

&uart1 {
    pinctrl-names = "default", "sleep";
    pinctrl-0 = <&uart1_pins_default>;
    pinctrl-1 = <&uart1_pins_sleep>;
    status = "okay";
};

&pinctrl {
    uart1_pins_default: uart1-default {
        pins = "PB0", "PB1";
        function = "uart";
        drive-strength = <8>;
        bias-pull-up;
    };
    
    uart1_pins_sleep: uart1-sleep {
        pins = "PB0", "PB1";
        function = "gpio";
        bias-pull-down;
    };
};

在驱动中使用API来选择预定义的引脚状态:

c 复制代码

struct pinctrl *p;
struct pinctrl_state *default_state;

// 获取设备的pinctrl句柄
p = devm_pinctrl_get(&pdev->dev);
if (IS_ERR(p)) {
    return PTR_ERR(p);
}

// 获取默认状态
default_state = pinctrl_lookup_state(p, "default");
if (IS_ERR(default_state)) {
    return PTR_ERR(default_state);
}

// 应用默认状态
return pinctrl_select_state(p, default_state);

内核会自动将设备树中的描述转换为pinctrl_map并应用配置。

总结

pinctrl_map作为Linux内核引脚控制子系统的核心机制，提供了一种统一、灵活、可维护的引脚管理方式。相比传统方法，它具有以下主要优势：

提供统一的引脚控制抽象，简化驱动开发
实现配置与驱动逻辑分离，提高代码可维护性
支持多状态管理，便于实现低功耗和动态切换
具备冲突检测能力，提高系统稳定性
与设备生命周期集成，简化资源管理

对于现代嵌入式Linux系统开发，掌握pinctrl_map的工作原理和使用方法，对于提高开发效率、降低维护成本和增强系统可靠性至关重要。