驱动开发硬核特训 · Day 28（上篇）：pinctrl 子系统详解与实战分析

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一、引言

在嵌入式系统中，SoC 芯片的引脚通常具有多种功能，如 GPIO、UART、I2C、SPI 等。为了在不同的应用场景中灵活配置引脚功能，Linux 内核引入了 pinctrl（Pin Control）子系统。该子系统提供了一种统一的机制，用于管理引脚的复用（pin multiplexing）、配置（pin configuration）以及状态管理。

二、pinctrl 子系统概述

2.1 设计目标

pinctrl 子系统的主要目标包括：

引脚复用管理：允许将同一引脚配置为不同的功能，如 GPIO、UART 等。
引脚配置管理：设置引脚的电气属性，如上拉/下拉、电平驱动能力等。
状态管理 ：支持根据设备的不同工作状态（如正常、休眠）切换引脚配置。

2.2 核心组件

pinctrl 子系统的核心组件包括：

pinctrl_dev：表示一个 pin 控制器设备。
pinctrl_desc：描述 pin 控制器的结构体，定义了操作接口。
pinctrl_ops：定义了 pin 控制器的操作函数集。
pinmux_ops：定义了引脚复用的操作函数集。
pinconf_ops：定义了引脚配置的操作函数集。

三、设备树中的 pinctrl 配置

在设备树中，pinctrl 的配置通常包括以下几个部分：

3.1 pin 控制器节点

dts 复制代码

pinctrl: pinctrl@30330000 {
    compatible = "fsl,imx8mp-iomuxc";
    reg = <0x30330000 0x10000>;
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
};

3.2 引脚配置节点

dts 复制代码

pinctrl_uart1: uart1grp {
    fsl,pins = <
        MX8MP_IOMUXC_UART1_TXD__UART1_DCE_TX 0x1c4
        MX8MP_IOMUXC_UART1_RXD__UART1_DCE_RX 0x1c4
    >;
};

3.3 设备节点引用

dts 复制代码

&uart1 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_uart1>;
    status = "okay";
};

四、pinctrl 驱动的实现

以 i.MX8MP 平台为例，其 pinctrl 驱动位于 drivers/pinctrl/freescale/pinctrl-imx8mp.c。该驱动主要完成以下任务：

4.1 定义引脚描述

c 复制代码

static const struct pinctrl_pin_desc imx8mp_pinctrl_pins[] = {
    PINCTRL_PIN(0, "GPIO0_IO00"),
    PINCTRL_PIN(1, "GPIO0_IO01"),
    // ...
};

4.2 实现操作函数集

c 复制代码

static const struct pinctrl_ops imx8mp_pinctrl_ops = {
    .get_groups_count = imx_pinctrl_get_groups_count,
    .get_group_name = imx_pinctrl_get_group_name,
    .get_group_pins = imx_pinctrl_get_group_pins,
    .dt_node_to_map = imx_pinctrl_dt_node_to_map,
    .dt_free_map = imx_pinctrl_dt_free_map,
};

4.3 注册 pin 控制器

c 复制代码

static int imx8mp_pinctrl_probe(struct platform_device *pdev)
{
    return imx_pinctrl_probe(pdev, &imx8mp_pinctrl_data);
}

五、驱动中使用 pinctrl API

在设备驱动中，可以使用以下 API 来获取和设置引脚状态：

c 复制代码

struct pinctrl *pinctrl;
struct pinctrl_state *state;

pinctrl = devm_pinctrl_get(&pdev->dev);
state = pinctrl_lookup_state(pinctrl, "default");
pinctrl_select_state(pinctrl, state);

这些 API 允许驱动在运行时切换引脚的配置状态，例如在设备进入休眠或唤醒时。

六、实战案例：配置 UART 引脚

以配置 UART1 的引脚为例，设备树中的配置如下：

dts 复制代码

pinctrl_uart1: uart1grp {
    fsl,pins = <
        MX8MP_IOMUXC_UART1_TXD__UART1_DCE_TX 0x1c4
        MX8MP_IOMUXC_UART1_RXD__UART1_DCE_RX 0x1c4
    >;
};

&uart1 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_uart1>;
    status = "okay";
};

在驱动中，可以使用上述的 pinctrl API 来设置引脚状态。

七、pinctrl 与 GPIO 子系统的关系

pinctrl 子系统与 GPIO 子系统密切相关。通常，GPIO 控制器是 pin 控制器的一个子集。pinctrl 子系统负责引脚的复用和配置，而 GPIO 子系统负责引脚的输入输出操作。

在某些平台上，pinctrl 驱动需要注册 GPIO 范围，以便 GPIO 子系统能够正确地映射引脚。例如：

c 复制代码

static struct pinctrl_gpio_range imx8mp_gpio_ranges[] = {
    {
        .name = "gpio1",
        .id = 0,
        .base = 0,
        .pin_base = 0,
        .npins = 32,
        .gc = &gpio1_chip,
    },
    // ...
};

八、总结

pinctrl 子系统为 Linux 内核提供了一个统一的引脚管理机制，使得驱动开发者可以方便地配置引脚的复用和电气属性。通过设备树的配置和驱动中的 API 调用，pinctrl 子系统简化了引脚管理的复杂性，提高了驱动的可移植性和可维护性。

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