GPIO输入输出、中断和复用使用范例

作者: shaniadolphin | 来源:发表于2018-11-11 17:54 被阅读0次

简介

GPIO, 全称 General-Purpose Input/Output（通用输入输出），是一种软件运行期间能够动态配置和控制的通用引脚。 RK3399有5组GPIO bank：GPIO0~GPIO4，每组又以 A0~A7, B0~B7, C0~C7, D0~D7 作为编号区分（不是所有 bank 都有全部编号，例如 GPIO4 就只有 C0~C7, D0~D2)。所有的GPIO在上电后的初始状态都是输入模式，可以通过软件设为上拉或下拉，也可以设置为中断脚，驱动强度都是可编程的。每个 GPIO 口除了通用输入输出功能外，还可能有其它复用功能，例如 GPIO2_A2，可以利用成以下功能：

GPIO2_A2
CIF_D2

每个 GPIO 口的驱动电流、上下拉和重置后的初始状态都不尽相同，详细情况请参考《RK3399 规格书》中的 “Chapter 10 GPIO” 一章。 RK3399 的 GPIO 驱动是在以下 pinctrl 文件中实现的：

kernel/drivers/pinctrl/pinctrl-rockchip.c

其核心是填充 GPIO bank 的方法和参数，并调用 gpiochip_add 注册到内核中。
AIO-3399C开发板为方便用户开发使用，引出了通用的GPIO。其对应引脚如下图：

本文以TP_RST(GPIO0_B4)和LCD_RST(GPIO4_D5)这两个通用GPIO口为例写了一份简单操作GPIO口的驱动，在SDK的路径为：

kernel/drivers/gpio/gpio-firefly.c

以下就以该驱动为例介绍GPIO的操作。

输入输出

首先在DTS文件中增加驱动的资源描述：

kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399-firefly-demo.dtsi
gpio_demo: gpio_demo {
    status = "okay";
    compatible = "firefly,rk3399-gpio";
    firefly-gpio = <&gpio0 12 GPIO_ACTIVE_HIGH>;          /* GPIO0_B4 */
    firefly-irq-gpio = <&gpio4 29 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;  /* GPIO4_D5 */               
};

这里定义了一个脚作为一般的输出输入口：

firefly-gpio GPIO0_B4

AIO-3399C的dts对引脚的描述与Firefly-RK3288有所区别，GPIO0_B4被描述为：<&gpio0 12 GPIO_ACTIVE_HIGH>，这里的12来源于：8+4=12，其中8是因为GPIO0_B4是属于GPIO0的B组，如果是A组的话则为0，如果是C组则为16，如果是D组则为24，以此递推，而4是因为B4后面的4。 GPIO_ACTIVE_HIGH表示高电平有效，如果想要低电平有效，可以改为：GPIO_ACTIVE_LOW，这个属性将被驱动所读取。

然后在probe函数中对DTS所添加的资源进行解析，代码如下：

static int firefly_gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{   
    int ret; int gpio; enum of_gpio_flags flag; 
    struct firefly_gpio_info *gpio_info; 
    struct device_node *firefly_gpio_node = pdev->dev.of_node; 

    printk("Firefly GPIO Test Program Probe\n"); 
    gpio_info = devm_kzalloc(&pdev->dev,sizeof(struct firefly_gpio_info *), GFP_KERNEL); 
    if (!gpio_info) { 
        return -ENOMEM; 
    } 
    gpio = of_get_named_gpio_flags(firefly_gpio_node, "firefly-gpio", 0, &flag); 
    if (!gpio_is_valid(gpio)) { 
        printk("firefly-gpio: %d is invalid\n", gpio); return -ENODEV; 
    } 
    if (gpio_request(gpio, "firefly-gpio")) { 
        printk("gpio %d request failed!\n", gpio); 
        gpio_free(gpio); 
        return -ENODEV; 
    } 
    gpio_info->firefly_gpio = gpio; 
    gpio_info->gpio_enable_value = (flag == OF_GPIO_ACTIVE_LOW) ? 0:1; 
    gpio_direction_output(gpio_info->firefly_gpio, gpio_info->gpio_enable_value); 
    printk("Firefly gpio putout\n"); 
    ...... 
}

of_get_named_gpio_flags 从设备树中读取 firefly-gpio 和 firefly-irq-gpio 的 GPIO 配置编号和标志，gpio_is_valid 判断该 GPIO 编号是否有效，gpio_request 则申请占用该 GPIO。如果初始化过程出错，需要调用 gpio_free 来释放之前申请过且成功的 GPIO 。在驱动中调用 gpio_direction_output 就可以设置输出高还是低电平，这里默认输出从DTS获取得到的有效电平GPIO_ACTIVE_HIGH，即为高电平，如果驱动正常工作，可以用万用表测得对应的引脚应该为高电平。实际中如果要读出 GPIO，需要先设置成输入模式，然后再读取值：

int val;
gpio_direction_input(your_gpio);
val = gpio_get_value(your_gpio);

下面是常用的 GPIO API 定义：

#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h> 

enum of_gpio_flags {
     OF_GPIO_ACTIVE_LOW = 0x1,
};  
int of_get_named_gpio_flags(struct device_node *np, const char *propname,   
int index, enum of_gpio_flags *flags);  
int gpio_is_valid(int gpio);  
int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);  
void gpio_free(unsigned gpio);  
int gpio_direction_input(int gpio);  
int gpio_direction_output(int gpio, int v);

中断

在Firefly的例子程序中还包含了一个中断引脚，GPIO口的中断使用与GPIO的输入输出类似，首先在DTS文件中增加驱动的资源描述：

kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399-firefly-port.dtsi
gpio {
    compatible = "firefly-gpio";
    firefly-irq-gpio = <&gpio4 29 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;  /* GPIO4_D5 */
};

IRQ_TYPE_EDGE_RISING表示中断由上升沿触发，当该引脚接收到上升沿信号时可以触发中断函数。这里还可以配置成如下：

IRQ_TYPE_NONE         //默认值，无定义中断触发类型
IRQ_TYPE_EDGE_RISING  //上升沿触发                                                                                                                                  
IRQ_TYPE_EDGE_FALLING //下降沿触发
IRQ_TYPE_EDGE_BOTH    //上升沿和下降沿都触发
IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH   //高电平触发
IRQ_TYPE_LEVEL_LOW    //低电平触发

然后在probe函数中对DTS所添加的资源进行解析，再做中断的注册申请，代码如下：

static int firefly_gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{   
    int ret; int gpio; enum of_gpio_flags flag; 
    struct firefly_gpio_info *gpio_info; 
    struct device_node *firefly_gpio_node = pdev->dev.of_node; 
    ......     
    gpio_info->firefly_irq_gpio = gpio; 
    gpio_info->firefly_irq_mode = flag; 
    gpio_info->firefly_irq = gpio_to_irq(gpio_info->firefly_irq_gpio); 
    if (gpio_info->firefly_irq) { 
        if (gpio_request(gpio, "firefly-irq-gpio")) { 
           printk("gpio %d request failed!\n", gpio); gpio_free(gpio); return IRQ_NONE; 
        } 
        ret = request_irq(gpio_info->firefly_irq, firefly_gpio_irq, flag, "firefly-gpio", gpio_info); 
        if (ret != 0) free_irq(gpio_info->firefly_irq, gpio_info); 
            dev_err(&pdev->dev, "Failed to request IRQ: %d\n", ret); 
    } 
    return 0;
}
static irqreturn_t firefly_gpio_irq(int irq, void *dev_id) //中断函数
{ 
    printk("Enter firefly gpio irq test program!\n"); return IRQ_HANDLED;
}

调用gpio_to_irq把GPIO的PIN值转换为相应的IRQ值，调用gpio_request申请占用该IO口，调用request_irq申请中断，如果失败要调用free_irq释放，该函数中gpio_info-firefly_irq是要申请的硬件中断号，firefly_gpio_irq是中断函数，gpio_info->firefly_irq_mode是中断处理的属性，”firefly-gpio”是设备驱动程序名称，gpio_info是该设备的device结构，在注册共享中断时会用到。

复用

如何定义 GPIO 有哪些功能可以复用，在运行时又如何切换功能呢？以 I2C4 为例作简单的介绍。
查规格表可知，I2C4_SDA 与 I2C4_SCL 的功能定义如下：

Pad#                    func0           func1
I2C4_SDA/GPIO1_B3   gpio1b3     i2c4_sda
I2C4_SCL/GPIO1_B4   gpio1b4     i2c4_scl

在kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399.dtsi 里有：

i2c4: i2c@ff3d0000 { 
    compatible = "rockchip,rk3399-i2c"; 
    reg = <0x0 0xff3d0000 0x0 0x1000>; 
    clocks = <&pmucru SCLK_I2C4_PMU>, <&pmucru  PCLK_I2C4_PMU>; 
    clock-names = "i2c", "pclk"; 
    interrupts = <GIC_SPI 56 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH 0>; 
    pinctrl-names = "default", "gpio"; 
    pinctrl-0 = <&i2c4_xfer>; 
    pinctrl-1 = <&i2c4_gpio>;   //此处源码未添加 
    #address-cells = <1>; 
    #size-cells = <0>; 
    status = "disabled"; 
};

此处，跟复用控制相关的是 pinctrl- 开头的属性：

pinctrl-names 定义了状态名称列表： default (i2c 功能) 和 gpio 两种状态。
pinctrl-0 定义了状态 0 (即 default）时需要设置的 pinctrl: &i2c4_xfer
pinctrl-1 定义了状态 1 (即 gpio)时需要设置的 pinctrl: &i2c4_gpio

这些 pinctrl 在kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399.dtsi 中这样定义：

pinctrl: pinctrl { 
    compatible = "rockchip,rk3399-pinctrl"; 
    rockchip,grf = <&grf>; 
    rockchip,pmu = <&pmugrf>; 
    #address-cells = <0x2>; 
    #size-cells = <0x2>; 
    ranges; 
    i2c4 {
    i2c4_xfer: i2c4-xfer { 
        rockchip,pins = <1 12 RK_FUNC_1 &pcfg_pull_none>, <1 11 RK_FUNC_1 &pcfg_pull_none>;
    };
    i2c4_gpio: i2c4-gpio { 
        rockchip,pins = <1 12 RK_FUNC_GPIO &pcfg_pull_none>, <1 11 RK_FUNC_GPIO &pcfg_pull_none>;
    };          
};

RK_FUNC_1,RK_FUNC_GPIO 的定义在 kernel/include/dt-bindings/pinctrl/rk.h 中：

 #define RK_FUNC_GPIO    0
 #define RK_FUNC_1   1
 #define RK_FUNC_2   2
 #define RK_FUNC_3   3
 #define RK_FUNC_4   4
 #define RK_FUNC_5   5 
 #define RK_FUNC_6   6
 #define RK_FUNC_7   7

另外，像”1 11”，”1 12”这样的值是有编码规则的，编码方式与上一小节”输入输出”描述的一样，”1 11”代表GPIO1_B3，”1 12”代表GPIO1_B4。
在复用时，如果选择了 “default” （即 i2c 功能),系统会应用 i2c4_xfer 这个 pinctrl，最终将 GPIO1_B3 和 GPIO1_B4 两个针脚切换成对应的 i2c 功能；而如果选择了 “gpio” ，系统会应用 i2c4_gpio 这个 pinctrl，将 GPIO1_B3 和 GPIO1_B4 两个针脚还原为 GPIO 功能。
我们看看 i2c 的驱动程序 kernel/drivers/i2c/busses/i2c-rockchip.c 是如何切换复用功能的：

static int rockchip_i2c_probe(struct platform_device *pdev)
{   
    struct rockchip_i2c *i2c = NULL; struct resource *res; 
    struct device_node *np = pdev->dev.of_node; int ret;// 
    ...
    i2c->sda_gpio = of_get_gpio(np, 0);
    if (!gpio_is_valid(i2c->sda_gpio)) {
        dev_err(&pdev->dev, "sda gpio is invalid\n");
        return -EINVAL;
    }
    ret = devm_gpio_request(&pdev->dev, i2c->sda_gpio, dev_name(&i2c->adap.dev));
    if (ret) {
        dev_err(&pdev->dev, "failed to request sda gpio\n");
        return ret;
    }
    i2c->scl_gpio = of_get_gpio(np, 1);
    if (!gpio_is_valid(i2c->scl_gpio)) {
        dev_err(&pdev->dev, "scl gpio is invalid\n");
        return -EINVAL;
    }
    ret = devm_gpio_request(&pdev->dev, i2c->scl_gpio, dev_name(&i2c->adap.dev));
    if (ret) {
        dev_err(&pdev->dev, "failed to request scl gpio\n");
        return ret;
    }
    i2c->gpio_state = pinctrl_lookup_state(i2c->dev->pins->p, "gpio");
    if (IS_ERR(i2c->gpio_state)) {
        dev_err(&pdev->dev, "no gpio pinctrl state\n");
        return PTR_ERR(i2c->gpio_state);
    }
    pinctrl_select_state(i2c->dev->pins->p, i2c->gpio_state);
    gpio_direction_input(i2c->sda_gpio);
    gpio_direction_input(i2c->scl_gpio);
    pinctrl_select_state(i2c->dev->pins->p, i2c->dev->pins->default_state);
    // ...
}

首先是调用 of_get_gpio 取出设备树中 i2c4 结点的 gpios 属于所定义的两个 gpio:

gpios = <&gpio1 GPIO_B3 GPIO_ACTIVE_LOW>, <&gpio1 GPIO_B4 GPIO_ACTIVE_LOW>;

然后是调用 devm_gpio_request 来申请 gpio，接着是调用 pinctrl_lookup_state 来查找 “gpio” 状态，而默认状态 “default” 已经由框架保存到 i2c->dev-pins->default_state 中了。
最后调用 pinctrl_select_state 来选择是 “default” 还是 “gpio” 功能。
下面是常用的复用 API 定义：

#include <linux/pinctrl/consumer.h> 
struct device {
    //...
    #ifdef CONFIG_PINCTRL
    struct dev_pin_info *pins;
    #endif
    //...
}; 
struct dev_pin_info {
    struct pinctrl *p;
    struct pinctrl_state *default_state;
    #ifdef CONFIG_PM
    struct pinctrl_state *sleep_state;
    struct pinctrl_state *idle_state;
    #endif
}; 
struct pinctrl_state * pinctrl_lookup_state(struct pinctrl *p, const char *name); 
int pinctrl_select_state(struct pinctrl *p, struct pinctrl_state *s);

IO-Domain

在复杂的片上系统（SOC）中，设计者一般会将系统的供电分为多个独立的block，这称作电源域（Power Domain），这样做有很多好处，例如：

在IO-Domain的DTS节点统一配置电压域，不需要每个驱动都去配置一次，便于管理；
依照的是Upstream的做法，以后如果需要Upstream比较方便；
IO-Domain的驱动支持运行过程中动态调整电压域，例如PMIC的某个Regulator可以1.8v和3.3v的动态切换，一旦Regulator电压发生改变，会通知IO-Domain驱动去重新设置电压域。
AIO-3399C原理图上的 Power Domain Map 表以及配置如下表所示：

通过RK3399 SDK的原理图可以看到bt656-supply 的电压域连接的是vcc18_dvp, vcc_io是从PMIC RK808的VLDO1出来的；在DTS里面可以找到vcc1v8_dvp，将bt656-supply = <&vcc18_dvp>。其他路的配置也类似，需要注意的是如果这里是其他PMIC，所用的Regulator也不一样,具体以实际电路情况为标准。

调试方法

IO指令

GPIO调试有一个很好用的工具，那就是IO指令，AIO-3399C的Android系统默认已经内置了IO指令，使用IO指令可以实时读取或写入每个IO口的状态，这里简单介绍IO指令的使用。首先查看 io 指令的帮助：

#io --help
Unknown option: ?
Raw memory i/o utility - $Revision: 1.5 $

io -v -1|2|4 -r|w [-l <len>] [-f <file>] <addr> [<value>]

   -v         Verbose, asks for confirmation
   -1|2|4     Sets memory access size in bytes (default byte)
   -l <len>   Length in bytes of area to access (defaults to
              one access, or whole file length)
   -r|w       Read from or Write to memory (default read)
   -f <file>  File to write on memory read, or
              to read on memory write
   <addr>     The memory address to access
   <val>      The value to write (implies -w)

Examples:
   io 0x1000                  Reads one byte from 0x1000
   io 0x1000 0x12             Writes 0x12 to location 0x1000
   io -2 -l 8 0x1000          Reads 8 words from 0x1000
   io -r -f dmp -l 100 200    Reads 100 bytes from addr 200 to file
   io -w -f img 0x10000       Writes the whole of file to memory

Note access size (-1|2|4) does not apply to file based accesses.

从帮助上可以看出，如果要读或者写一个寄存器，可以用：

io -4 -r 0x1000 //读从0x1000起的4位寄存器的值
io -4 -w 0x1000 //写从0x1000起的4位寄存器的值

使用示例：

查看GPIO1_B3引脚的复用情况
从主控的datasheet查到GPIO1对应寄存器基地址为：0xff320000
从主控的datasheet查到GPIO1B_IOMUX的偏移量为：0x00014
GPIO1_B3的iomux寄存器地址为：基址(Operational Base) + 偏移量(offset)=0xff320000+0x00014=0xff320014
用以下指令查看GPIO1_B3的复用情况：

# io -4 -r 0xff320014
ff320014:  0000816a

从datasheet查到[7:6]：

gpio1b3_sel 
GPIO1B[3] iomux select  
2'b00: gpio 
2'b01: i2c4sensor_sda 
2'b10: reserved 
2'b11: reserved

因此可以确定该GPIO被复用为 i2c4sensor_sda。

如果想复用为GPIO,可以使用以下指令设置：

# io -4 -w 0xff320014 0x0000812a

GPIO调试接口

Debugfs文件系统目的是为开发人员提供更多内核数据，方便调试。这里GPIO的调试也可以用Debugfs文件系统，获得更多的内核信息。 GPIO在Debugfs文件系统中的接口为 /sys/kernel/debug/gpio，可以这样读取该接口的信息：

# cat /sys/kernel/debug/gpio
GPIOs 0-31, platform/pinctrl, gpio0:
 gpio-2   (                    |vcc3v3_3g           ) out hi    
 gpio-4   (                    |bt_default_wake_host) in  lo    
 gpio-5   (                    |power               ) in  hi    
 gpio-9   (                    |bt_default_reset    ) out lo    
 gpio-10  (                    |reset               ) out lo    
 gpio-13  (                    |?                   ) out lo    

GPIOs 32-63, platform/pinctrl, gpio1:
 gpio-32  (                    |vcc5v0_host         ) out hi    
 gpio-34  (                    |int-n               ) in  hi    
 gpio-35  (                    |vbus-5v             ) out lo    
 gpio-45  (                    |pmic-hold-gpio      ) out hi    
 gpio-49  (                    |vcc3v3_pcie         ) out hi    
 gpio-54  (                    |mpu6500             ) out hi    
 gpio-56  (                    |pmic-stby-gpio      ) out hi    

GPIOs 64-95, platform/pinctrl, gpio2:
 gpio-83  (                    |bt_default_rts      ) in  hi    
 gpio-90  (                    |bt_default_wake     ) in  lo    
 gpio-91  (                    |?                   ) out hi    

GPIOs 96-127, platform/pinctrl, gpio3:
 gpio-111 (                    |mdio-reset          ) out hi    

GPIOs 128-159, platform/pinctrl, gpio4:
 gpio-149 (                    |hp-con-gpio         ) out lo

从读取到的信息中可以知道，内核把GPIO当前的状态都列出来了，以GPIO0组为例，gpio-2(GPIO0_A2)作为3G模块的电源控制脚(vcc3v3_3g)，输出高电平(out hi)。

FAQs

Q1: 如何将PIN的MUX值切换为一般的GPIO？

A1: 当使用GPIO request时候，会将该PIN的MUX值强制切换为GPIO，所以使用该pin脚为GPIO功能的时候确保该pin脚没有被其他模块所使用。

Q2: 为什么我用IO指令读出来的值都是0x00000000？

A2: 如果用IO命令读某个GPIO的寄存器，读出来的值异常,如 0x00000000或0xffffffff等，请确认该GPIO的CLK是不是被关了，GPIO的CLK是由CRU控制，可以通过读取datasheet下面CRU_CLKGATE_CON* 寄存器来查到CLK是否开启，如果没有开启可以用io命令设置对应的寄存器，从而打开对应的CLK，打开CLK之后应该就可以读到正确的寄存器值了。

Q3: 测量到PIN脚的电压不对应该怎么查？

A3: 测量该PIN脚的电压不对时，如果排除了外部因素，可以确认下该pin所在的io电压源是否正确，以及IO-Domain配置是否正确。

Q4: gpio_set_value()与gpio_direction_output()有什么区别？

A4: 如果使用该GPIO时，不会动态的切换输入输出，建议在开始时就设置好GPIO 输出方向，后面拉高拉低时使用gpio_set_value()接口，而不建议使用gpio_direction_output(), 因为gpio_direction_output接口里面有mutex锁，对中断上下文调用会有错误异常，且相比 gpio_set_value，gpio_direction_output 所做事情更多，浪费。

GPIO输入输出、中断和复用使用范例

简介

输入输出

中断

复用

IO-Domain

调试方法

IO指令

GPIO调试接口

FAQs

Q1: 如何将PIN的MUX值切换为一般的GPIO？

Q2: 为什么我用IO指令读出来的值都是0x00000000？

Q3: 测量到PIN脚的电压不对应该怎么查？

Q4: gpio_set_value()与gpio_direction_output()有什么区别？

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