完结 07_GPIO

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2021-05-29 15:27:14 +08:00
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## GPIO子系统与Pinctrl子系统的交互
参考资料:
* Linux 5.x内核文档
* Linux-5.4\Documentation\driver-api
* Linux-5.4\Documentation\devicetree\bindings\gpio\gpio.txt
* Linux-5.4\drivers\gpio\gpio-74x164.c
* Linux 4.x内核文档
* Linux-4.9.88\Documentation\gpio
* Linux-4.9.88\Documentation\devicetree\bindings\gpio\gpio.txt
* Linux-4.9.88\drivers\gpio\gpio-74x164.c
### 1. 使用GPIO前应该设置Pinctrl
假设使用这个虚拟的GPIO Controller的pinA来控制LED
![image-20210528163702792](pic/07_GPIO/11_virtual_gpio_led.png)
要使用pinA来控制LED首先要通过Pinctrl子系统把它设置为GPIO功能然后才能设置它为输出引脚、设置它的输出值。
所以在设备树文件里应该添加Pinctrl的内容
```shell
virtual_pincontroller {
compatible = "100ask,virtual_pinctrl";
myled_pin: myled_pin {
functions = "gpio";
groups = "pin0";
configs = <0x11223344>;
};
};
gpio_virt: virtual_gpiocontroller {
compatible = "100ask,virtual_gpio";
gpio-controller;
#gpio-cells = <2>;
ngpios = <4>;
};
myled {
compatible = "100ask,leddrv";
led-gpios = <&gpio_virt 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&myled_pin>;
};
```
但是很多芯片并不要求在设备树中把把引脚复用为GPIO功能。
比如STM32MP157在它的设备树工具`STM32CubeMX`即使把引脚配置为GPIO功能它也不会在设备树中出现。
原因在于GPIO走了后门。
现实的芯片中并没有Pinctrl这样的硬件它的功能大部分是在GPIO模块中实现的。
Pinctrl是一个软件虚拟处理的概念它的实现本来就跟GPIO密切相关。
甚至一些引脚默认就是GPIO功能。
按理说:
一个引脚可能被用作GPIO也可能被用作I2CGPIO和I2C这些功能时相同低位的。
要用作GPIO需要先通过Pinctrl把引脚复用为GPIO功能。
但是Pinctrl和GPIO关系密切当你使用gpiod_get获得GPIO引脚时它就`偷偷地`通过Pinctrl把引脚复用为GPIO功能了。
### 2. GPIO和Pinctrl的映射关系
#### 2.1 示例
![image-20210529094937479](pic/07_GPIO/12_gpio_and_pinctrl_range.png)
从上图可知:
* 左边的Pinctrl支持8个引脚在Pinctrl的内部编号为0~7
* 图中有2个GPIO控制器
* GPIO0内部引脚编号为0~3假设在GPIO子系统中全局编号为100~103
* GPIO1内部引脚编号为0~3假设在GPIO子系统中全局编号为104~107
* 假设我们要使用pin1_1应该这样做
* 根据GPIO1的内部编号1可以换算为Pinctrl子系统中的编号5
* 使用Pinctrl的函数把第5个引脚配置为GPIO功能
#### 2.2 数据结构
![image-20210529101049897](pic/07_GPIO/13_gpio_pin_range.png)
### 3. GPIO调用Pinctrl的过程
GPIO子系统中的request函数用来申请某个GPIO引脚
它会导致Pinctrl子系统中的这2个函数之一被调用`pmxops->gpio_request_enable``pmxops->request`
![image-20210529101834908](pic/07_GPIO/14_gpio_request.png)
调用关系如下:
```c
gpiod_get
gpiod_get_index
desc = of_find_gpio(dev, con_id, idx, &lookupflags);
ret = gpiod_request(desc, con_id ? con_id : devname);
ret = gpiod_request_commit(desc, label);
if (chip->request) {
ret = chip->request(chip, offset);
}
```
我们编写GPIO驱动程序时所设置`chip->request`函数,一般直接调用`gpiochip_generic_request`它导致Pinctrl把引脚复用为GPIO功能。
```c
gpiochip_generic_request(struct gpio_chip *chip, unsigned offset)
pinctrl_request_gpio(chip->gpiodev->base + offset)
ret = pinctrl_get_device_gpio_range(gpio, &pctldev, &range); // gpio是引脚的全局编号
/* Convert to the pin controllers number space */
pin = gpio_to_pin(range, gpio);
ret = pinmux_request_gpio(pctldev, range, pin, gpio);
ret = pin_request(pctldev, pin, owner, range);
```
Pinctrl子系统中的pin_request函数就会把引脚配置为GPIO功能
```c
static int pin_request(struct pinctrl_dev *pctldev,
int pin, const char *owner,
struct pinctrl_gpio_range *gpio_range)
{
const struct pinmux_ops *ops = pctldev->desc->pmxops;
/*
* If there is no kind of request function for the pin we just assume
* we got it by default and proceed.
*/
if (gpio_range && ops->gpio_request_enable)
/* This requests and enables a single GPIO pin */
status = ops->gpio_request_enable(pctldev, gpio_range, pin);
else if (ops->request)
status = ops->request(pctldev, pin);
else
status = 0;
}
```
### 3. 我们要做什么
如果不想在使用GPIO引脚时在设备树中设置Pinctrl信息
如果想让GPIO和Pinctrl之间建立联系
我们需要做这些事情:
#### 3.1 表明GPIO和Pinctrl间的联系
在GPIO设备树中使用`gpio-ranges`来描述它们之间的联系:
* GPIO系统中有引脚号
* Pinctrl子系统中也有自己的引脚号
* 2个号码要建立映射关系
* 在GPIO设备树中使用如下代码建立映射关系
```shell
// 当前GPIO控制器的0号引脚, 对应pinctrlA中的128号引脚, 数量为12
gpio-ranges = <&pinctrlA 0 128 12>;
```
#### 3.2 解析这些联系
在GPIO驱动程序中解析跟Pinctrl之间的联系处理`gpio-ranges`:
* 这不需要我们自己写代码
* 注册gpio_chip时会自动调用
```c
int gpiochip_add_data(struct gpio_chip *chip, void *data)
status = of_gpiochip_add(chip);
status = of_gpiochip_add_pin_range(chip);
of_gpiochip_add_pin_range
for (;; index++) {
ret = of_parse_phandle_with_fixed_args(np, "gpio-ranges", 3,
index, &pinspec);
pctldev = of_pinctrl_get(pinspec.np); // 根据gpio-ranges的第1个参数找到pctldev
// 增加映射关系
/* npins != 0: linear range */
ret = gpiochip_add_pin_range(chip,
pinctrl_dev_get_devname(pctldev),
pinspec.args[0],
pinspec.args[1],
pinspec.args[2]);
```
#### 3.3 编程
* 在GPIO驱动程序中提供`gpio_chip->request`
* 在Pinctrl驱动程序中提供`pmxops->gpio_request_enable`或`pmxops->request`

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## 编程_GPIO使用Pinctrl
参考资料:
* Linux 5.x内核文档
* Linux-5.4\Documentation\driver-api
* Linux-5.4\Documentation\devicetree\bindings\gpio\gpio.txt
* Linux-5.4\drivers\gpio\gpio-74x164.c
* Linux 4.x内核文档
* Linux-4.9.88\Documentation\gpio
* Linux-4.9.88\Documentation\devicetree\bindings\gpio\gpio.txt
* Linux-4.9.88\drivers\gpio\gpio-74x164.c
* 本节视频代码在GIT仓库中
```shell
doc_and_source_for_drivers\IMX6ULL\source\07_GPIO\04_gpio_use_pinctrl_ok
doc_and_source_for_drivers\STM32MP157\source\A7\07_GPIO\04_gpio_use_pinctrl_ok
```
### 1. 我们要做什么
假设使用这个虚拟的GPIO Controller的pinA来控制LED
![image-20210528163702792](pic/07_GPIO/11_virtual_gpio_led.png)
如果不想在使用GPIO引脚时在设备树中设置Pinctrl信息
如果想让GPIO和Pinctrl之间建立联系
我们需要做这些事情:
#### 1.1 表明GPIO和Pinctrl间的联系
在GPIO设备树中使用`gpio-ranges`来描述它们之间的联系:
* GPIO系统中有引脚号
* Pinctrl子系统中也有自己的引脚号
* 2个号码要建立映射关系
* 在GPIO设备树中使用如下代码建立映射关系
```shell
// 当前GPIO控制器的0号引脚, 对应pinctrlA中的128号引脚, 数量为12
gpio-ranges = <&pinctrlA 0 128 12>;
```
#### 1.2 解析这些联系
在GPIO驱动程序中解析跟Pinctrl之间的联系处理`gpio-ranges`:
* 这不需要我们自己写代码
* 注册gpio_chip时会自动调用
```c
int gpiochip_add_data(struct gpio_chip *chip, void *data)
status = of_gpiochip_add(chip);
status = of_gpiochip_add_pin_range(chip);
of_gpiochip_add_pin_range
for (;; index++) {
ret = of_parse_phandle_with_fixed_args(np, "gpio-ranges", 3,
index, &pinspec);
pctldev = of_pinctrl_get(pinspec.np); // 根据gpio-ranges的第1个参数找到pctldev
// 增加映射关系
/* npins != 0: linear range */
ret = gpiochip_add_pin_range(chip,
pinctrl_dev_get_devname(pctldev),
pinspec.args[0],
pinspec.args[1],
pinspec.args[2]);
```
#### 1.3 编程
* 在GPIO驱动程序中提供`gpio_chip->request`
* 在Pinctrl驱动程序中提供`pmxops->gpio_request_enable`或`pmxops->request`
### 2. 编写设备树
```shell
pinctrl_virt: virtual_pincontroller {
compatible = "100ask,virtual_pinctrl";
};
gpio_virt: virtual_gpiocontroller {
compatible = "100ask,virtual_gpio";
gpio-controller;
#gpio-cells = <2>;
ngpios = <4>;
gpio-ranges = <&pinctrl_virt 0 0 4>;
};
myled {
compatible = "100ask,leddrv";
led-gpios = <&gpio_virt 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};
```
### 3. 编程
#### 3.1 GPIO控制器编程
gpio_chip中提供request函数
```c
chip->request = gpiochip_generic_request;
```
#### 3.2 Pinctrl编程
```c
static const struct pinmux_ops virtual_pmx_ops = {
.get_functions_count = virtual_pmx_get_funcs_count,
.get_function_name = virtual_pmx_get_func_name,
.get_function_groups = virtual_pmx_get_groups,
.set_mux = virtual_pmx_set,
.gpio_request_enable = virtual_pmx_gpio_request_enable,
};
```
### 4. 上机实验
#### 4.1 设置工具链
##### 1. STM32MP157
**注意**对于STM32MP157以前说编译内核/驱动、编译APP的工具链不一样其实编译APP用的工具链也能用来编译内核。
```shell
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-buildroot-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/ToolChain/arm-buildroot-linux-gnueabihf_sdk-buildroot/bin
```
##### 2. IMX6ULL
```shell
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-sdk/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin
```
#### 4.2 编译、替换设备树
##### 1. STM32MP157
* 修改`arch/arm/boot/dts/stm32mp157c-100ask-512d-lcd-v1.dts`,添加如下代码:
```shell
/ {
pinctrl_virt: virtual_pincontroller {
compatible = "100ask,virtual_pinctrl";
myled_pin: myled_pin {
functions = "gpio";
groups = "pin0";
configs = <0x11223344>;
};
i2cgrp: i2cgrp {
functions = "i2c", "i2c";
groups = "pin0", "pin1";
configs = <0x11223344 0x55667788>;
};
};
gpio_virt: virtual_gpiocontroller {
compatible = "100ask,virtual_gpio";
gpio-controller;
#gpio-cells = <2>;
ngpios = <4>;
gpio-ranges = <&pinctrl_virt 0 0 4>;
};
myled {
compatible = "100ask,leddrv";
led-gpios = <&gpio_virt 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};
};
```
* 编译设备树:
在Ubuntu的STM32MP157内核目录下执行如下命令,
得到设备树文件:`arch/arm/boot/dts/stm32mp157c-100ask-512d-lcd-v1.dtb`
```shell
make dtbs
```
* 复制到NFS目录
```shell
$ cp arch/arm/boot/dts/stm32mp157c-100ask-512d-lcd-v1.dtb ~/nfs_rootfs/
```
* 开发板上挂载NFS文件系统
* vmware使用NAT(假设windowsIP为192.168.1.100)
```shell
[root@100ask:~]# mount -t nfs -o nolock,vers=3,port=2049,mountport=9999
192.168.1.100:/home/book/nfs_rootfs /mnt
```
* vmware使用桥接或者不使用vmware而是直接使用服务器假设Ubuntu IP为192.168.1.137
```shell
[root@100ask:~]# mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.1.137:/home/book/nfs_rootfs /mnt
```
* 确定设备树分区挂载在哪里
由于版本变化STM32MP157单板上烧录的系统可能有细微差别。
在开发板上执行`cat /proc/mounts`后,可以得到两种结果(见下图)
* mmcblk2p2分区挂载在/boot目录下(下图左边):无需特殊操作,下面把文件复制到/boot目录即可
* mmcblk2p2挂载在/mnt目录下(下图右边)
* 在视频里、后面文档里,都是更新/boot目录下的文件所以要先执行以下命令重新挂载
* `mount /dev/mmcblk2p2 /boot`
![](../04_I2C/pic/04_I2C/057_boot_mount.png)
* 更新设备树
```shell
[root@100ask:~]# cp /mnt/stm32mp157c-100ask-512d-lcd-v1.dtb /boot
[root@100ask:~]# sync
```
* 重启开发板
##### 2. IMX6ULL
* 修改`arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dts`,添加如下代码:
```shell
/ {
pinctrl_virt: virtual_pincontroller {
compatible = "100ask,virtual_pinctrl";
myled_pin: myled_pin {
functions = "gpio";
groups = "pin0";
configs = <0x11223344>;
};
i2cgrp: i2cgrp {
functions = "i2c", "i2c";
groups = "pin0", "pin1";
configs = <0x11223344 0x55667788>;
};
};
gpio_virt: virtual_gpiocontroller {
compatible = "100ask,virtual_gpio";
gpio-controller;
#gpio-cells = <2>;
ngpios = <4>;
gpio-ranges = <&pinctrl_virt 0 0 4>;
};
myled {
compatible = "100ask,leddrv";
led-gpios = <&gpio_virt 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};
};
```
* 编译设备树:
在Ubuntu的IMX6ULL内核目录下执行如下命令,
得到设备树文件:`arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dtb`
```shell
make dtbs
```
* 复制到NFS目录
```shell
$ cp arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dtb ~/nfs_rootfs/
```
* 开发板上挂载NFS文件系统
* vmware使用NAT(假设windowsIP为192.168.1.100)
```shell
[root@100ask:~]# mount -t nfs -o nolock,vers=3,port=2049,mountport=9999
192.168.1.100:/home/book/nfs_rootfs /mnt
```
* vmware使用桥接或者不使用vmware而是直接使用服务器假设Ubuntu IP为192.168.1.137
```shell
[root@100ask:~]# mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.1.137:/home/book/nfs_rootfs /mnt
```
* 更新设备树
```shell
[root@100ask:~]# cp /mnt/100ask_imx6ull-14x14.dtb /boot
[root@100ask:~]# sync
```
* 重启开发板
#### 4.3 编译、安装驱动程序
* 编译:
* 在Ubuntu上
* 进入`04_gpio_use_pinctrl_ok`下的3个驱动目录都执行make命令
* 安装:
* 在开发板上
* 挂载NFS复制文件insmod类似如下命令
```shell
mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.1.137:/home/book/nfs_rootfs /mnt
// 对于IMX6ULL想看到驱动打印信息需要先执行
echo "7 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk
insmod -f /mnt/virtual_pinctrl_driver.ko
insmod -f /mnt/virtual_gpio_driver.ko
insmod -f /mnt/leddrv.ko
ls /dev/100ask_led0
/mnt/ledtest /dev/100ask_led0 on
/mnt/ledtest /dev/100ask_led0 off
```
* 观察内核打印的信息
### 5. 再次开后门
在STM32MP157的内核中
Pinctrl驱动中并没有提供`pmxops->gpio_request_enable`或`pmxops->request`
为什么也可一直接使用GPIO功能
它的gpio_chip结构体中有`direction_input`、`direction_output`这2个函数的调用关系如下:
```c
direction_output/direction_input
pinctrl_gpio_direction
ret = pinmux_gpio_direction(pctldev, range, pin, input);
ret = ops->gpio_set_direction(pctldev, range, pin, input);
stm32_pmx_gpio_set_direction
stm32_pmx_set_mode // 它会设置引脚为GPIO功能
```
### 6. IMX6ULL的特殊情况
IMX6ULL使用GPIO时必须设置Pinctrl如果不设置只有那些默认就是GPIO功能的引脚可以正常使用。
原因:
* GPIO控制器的设备树中没有`gpio-ranges`
* Pinctrl驱动中并没有提供`pmxops->gpio_request_enable`或`pmxops->request`
* gpio_chip结构体中`direction_input`、`direction_output`并没有配置引脚为GPIO功能

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@@ -0,0 +1,110 @@
## GPIO子系统的sysfs接口
参考资料:
* Linux 5.x内核文档
* Linux-5.4\Documentation\driver-api
* Linux-5.4\Documentation\devicetree\bindings\gpio\gpio.txt
* Linux-5.4\drivers\gpio\gpiolib-sysfs.c
* Linux 4.x内核文档
* Linux-4.9.88\Documentation\gpio
* Linux-4.9.88\Documentation\devicetree\bindings\gpio\gpio.txt
* Linux-4.9.88\drivers\gpio\gpiolib-sysfs.c
* 本节视频代码在GIT仓库中
```shell
doc_and_source_for_drivers\IMX6ULL\source\07_GPIO\04_gpio_use_pinctrl_ok
doc_and_source_for_drivers\STM32MP157\source\A7\07_GPIO\04_gpio_use_pinctrl_ok
```
### 1. 驱动程序
驱动程序为`drivers\gpio\gpiolib-sysfs.c`,这里不打算分析它。
### 2. 常用的SYSFS文件
#### 2.1 有哪些GPIO控制器
`/sys/bus/gpio/devices`目录下列出了所有的GPIO控制器如下表示有11个GPIO控制器
```c
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip0
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip1
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip2
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip3
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip4
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip5
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip6
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip7
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip8
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip9
/sys/bus/gpio/devices/gpiochip10
```
#### 2.2 每个GPIO控制器的详细信息
`/sys/class/gpio/gpiochipXXX`下,有这些信息:
```shell
/sys/class/gpio/gpiochip508]# ls -1
base // 这个GPIO控制器的GPIO编号
device
label // 名字
ngpio // 引脚个数
power
subsystem
uevent
```
#### 2.3 查看GPIO使用情况
```shell
cat /sys/kernel/debug/gpio
```
#### 2.4 通过SYSFS使用GPIO
如果只是简单的引脚控制(比如输出、查询输入值),可以不编写驱动程序。
但是涉及中断的话,就需要编写驱动程序了。
##### 1. 确定GPIO编号
查看每个`/sys/bus/gpio/devices/gpiochipXXX`目录下的label确定是你要用的GPIO控制器也称为GPIO Bank。
根据它名字gpiochipXXX就可以知道基值是XXX。
基值加上引脚offset就是这个引脚的编号。
##### 2. 导出/设置方向/读写值
举例:
```shell
echo 509 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio509/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio509/value
echo 509 > /sys/class/gpio/unexport
echo 509 > /sys/class/gpio/export
echo in > /sys/class/gpio/gpio509/direction
cat /sys/class/gpio/gpio509/value
echo 509 > /sys/class/gpio/unexport
```

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