ARM Linux 驱动开发篇---GPIO子系统详解-- Ubuntu20.04

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前言

[一、GPIO 子系统核心定位](#一、GPIO 子系统核心定位)

[二、IMX6ULL 的 GPIO 子系统实战（设备树 + 驱动）](#二、IMX6ULL 的 GPIO 子系统实战（设备树 + 驱动）)

[2.1、配置设备树中的 GPIO](#2.1、配置设备树中的 GPIO)

[2.1.1、pinctrl 配置](#2.1.1、pinctrl 配置)

[2.1.2、在设备节点中指定 GPIO](#2.1.2、在设备节点中指定 GPIO)

[2.1.3、GPIO 控制器节点](#2.1.3、GPIO 控制器节点)

[2.2、GPIO 驱动程序简介](#2.2、GPIO 驱动程序简介)

2.2.1、驱动匹配

2.2.2、驱动入口

2.2.3、核心结构体（gpio_chip）

总结

前言

上一节我们讲解了pinctrl子系统，其核心作用是配置 PIN 的复用功能 和电气属性 。若pinctrl将某个 PIN 复用为 GPIO，后续对 GPIO 的操作（输入 / 输出、读写电平）就需要依靠GPIO 子系统来完成。

GPIO 子系统的设计目标是**简化 GPIO 的驱动开发，**这样我们只需在设备树中配置 GPIO 相关信息，无需直接操作底层寄存器，即可通过内核提供的 API 函数轻松操控 GPIO。

本文基于 IMX6ULL 开发板，从「子系统简介→设备树配置→驱动原理」逐步拆解，详细讲解了GPIO 子系统。

一、GPIO 子系统核心定位

GPIO 子系统是 Linux 内核针对 GPIO 外设封装的标准化框架，核心职责包括：

初始化 GPIO 控制器（解析设备树 GPIO 节点信息）；

提供统一的 GPIO 操作 API（申请、释放、输入 / 输出配置、电平读写）；

屏蔽不同 SOC 的 GPIO 硬件差异（如 IMX6ULL 与 STM32 的 GPIO 寄存器差异）。

简单来说，pinctrl负责 "把 PIN 变成 GPIO"，GPIO 子系统负责 "把 GPIO 用起来"，二者协同工作，构成 GPIO 驱动的完整链路。

二、IMX6ULL 的 GPIO 子系统实战（设备树 + 驱动）

以 IMX6ULL 开发板的「SD 卡检测引脚」为例（UART1_RTS_B 复用为 GPIO1_IO19），介绍 GPIO 子系统的设备树配置和驱动底层原理。

2.1、配置设备树中的 GPIO

GPIO 的设备树配置主要分为两步：

1、通过 pinctrl 配置 PIN 复用。

2、在设备节点中指定 GPIO 信息。

2.1.1、pinctrl 配置

打开开发板专属的设备树文件imx6ull-alientek-emmc.dts，可以看到在&iomuxc节点的imx6ul-evk子节点中，已存在 SD 卡检测引脚的 pinctrl 配置：

复制代码

pinctrl_hog_1: hoggrp-1 {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19 0x17059 /* SD1 CD 引脚，复用为GPIO1_IO19 */
        // 其他PIN配置...
    >;
};

上述代码就是将 UART1_RTS_B 引脚复用为 GPIO1_IO19，并配置电气属性，和上一期博客里的 pinctrl 配置逻辑完全一致。

2.1.2、在设备节点中指定 GPIO

SD 卡挂载在 IMX6ULL 的usdhc1接口上，usdhc1节点就是 SD 卡的设备树节点。我们需要在该节点中添加cd-gpios属性，这样便能让驱动知道SD 卡检测引脚使用的是哪个 GPIO：

复制代码

&usdhc1 {
    pinctrl-names = "default", "state_100mhz", "state_200mhz";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_usdhc1>;
    pinctrl-1 = <&pinctrl_usdhc1_100mhz>;
    pinctrl-2 = <&pinctrl_usdhc1_200mhz>;
    
    cd-gpios = <&gpio1 19 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* SD卡检测GPIO：GPIO1_IO19，低电平有效 */
    
    keep-power-in-suspend;
    enable-sdio-wakeup;
    vmmc-supply = <&reg_sd1_vmmc>;
    status = "okay";
};

cd-gpios = <&gpio1 19 GPIO_ACTIVE_LOW>

此行代码就是添加的描述 SD 卡的 CD 引脚 pinctrl 信息所在的子节点。

&gpio1：指定 GPIO 所属的控制器（GPIO1 控制器）；

19：指定 GPIO1 控制器的第 19 号引脚（即 GPIO1_IO19）；

GPIO_ACTIVE_LOW：指定 GPIO 低电平有效，也就是检测到低电平时，表示 SD 卡插入，若改为GPIO_ACTIVE_HIGH则为高电平有效。
根据上面这些信息， SD 卡驱动程序就可以使用 GPIO1_IO19 来检测 SD 卡的 CD 信号了。

2.1.3、GPIO 控制器节点

打开imx6ull.dtsi，可找到 GPIO1 控制器的节点定义，这是 GPIO 子系统工作的基础：

复制代码

gpio1: gpio@0209c000 {
    compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio"; /* 驱动匹配标识 */
    reg = <0x0209c000 0x4000>; /* GPIO1控制器寄存器基地址+长度 */
    interrupts = <GIC_SPI 66 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 67 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>; /* 中断配置 */
    gpio-controller; /* 标识此节点是GPIO控制器 */
    #gpio-cells = <2>; /* GPIO属性的cell数量，固定为2 */
    interrupt-controller; /* 标识此节点是中断控制器 */
    #interrupt-cells = <2>;
};

gpio1 节点信息描述了 GPIO1 控制器的所有信息，重点就是 GPIO1 外设寄存器基地址以及兼容属性。

gpio1 节点的 compatible 属性有两个，分别为"fsl,imx6ul-gpio"和"fsl,imx35- gpio"，在 Linux 内核中搜索这两个字符串就可以找到 I.MX6UL 的 GPIO 驱动程序。

reg 属性设置了 GPIO1 控制器的寄存器基地址为 0X0209C000，从I.MX6ULL 参考手册中可以看到GPIO1 控制器的基地址就是 0X0209C000，如下图所示：

gpio-controller：必须添加，表明该节点是一个 GPIO 控制器；
#gpio-cells = <2>：指定描述一个 GPIO 时需要 2 个参数（第一个是 GPIO 编号，第二个是电平极性，如 0 = 高电平有效，1 = 低电平有效）；

2.2、GPIO 驱动程序简介

IMX6ULL 的 GPIO 驱动文件是drivers/gpio/gpio-mxc.c，该驱动是典型的平台设备驱动，核心逻辑是解析设备树 GPIO 节点、初始化 GPIO 控制器，并向内核注册 GPIO 操作接口。

2.2.1、驱动匹配

在gpio-mxc.c中，通过of_device_id结构体数组与设备树的compatible属性匹配：

复制代码

static const struct of_device_id mxc_gpio_dt_ids[] = {
    { .compatible = "fsl,imx1-gpio", .data = &mxc_gpio_devtype[IMX1_GPIO], },
    { .compatible = "fsl,imx35-gpio", .data = &mxc_gpio_devtype[IMX35_GPIO], }, /* 匹配GPIO1节点 */
    { /* 哨兵节点 */ }
};

设备树中 GPIO1 节点的compatible = "fsl,imx35-gpio"，因此该驱动会被匹配执行。

因此 gpio-mxc.c 就是 I.MX6ULL 的 GPIO 控制器驱动文件。gpio-mxc.c 所在的目录为drivers/gpio，打开这个目录可以看到很多芯片的 gpio 驱动文件， "gpiolib"开始的文件是 gpio 驱动的核心文件。

2.2.2、驱动入口

驱动匹配成功后，mxc_gpio_probe函数会被调用，核心工作的是：

读取设备树中 GPIO 控制器的reg属性（寄存器基地址），并进行内存映射；
初始化 GPIO 寄存器（关闭中断、清除状态等）；
初始化gpio_chip结构体（封装 GPIO 操作函数，如输入 / 输出配置、电平读写）；
通过gpiochip_add函数向内核注册 GPIO 控制器，供上层 API 调用。

2.2.3、核心结构体（gpio_chip）

gpio_chip是 GPIO 子系统的核心结构体，封装了所有 GPIO 操作函数，内核通过该结构体提供统一的 GPIO API：

复制代码

struct gpio_chip {
    const char *label;
    struct device *dev;
    int (*request)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset); /* GPIO申请 */
    void (*free)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset); /* GPIO释放 */
    int (*direction_input)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset); /* 配置为输入 */
    int (*direction_output)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value); /* 配置为输出 */
    int (*get)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset); /* 读取GPIO电平 */
    void (*set)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value); /* 设置GPIO电平 */
    // 其他成员...
};

半导体厂商已在驱动中实现了这些函数，我们无需关心底层寄存器操作，直接使用内核提供的 API 即可。

总结

本期博客详细讲解了GPIO 子系统。