GPIO 驱动:从控制器到消费者

🔨 整理中 · 这一篇讲 GPIO(通用输入输出) 子系统——那些 SoC 上可配置成输入/输出的数字引脚。素材以 6.19 源码 + kernel.org GPIO 文档为权威。校订增量:6.x 全面用 gpiod(descriptor-based) 接口取代老的基于整数的 gpio_request/gpio_set_value——老资料那套整数 API 已不推荐。

做什么

SoC 上有一组组引脚,每根能配置成输入(读高低电平)或输出(驱动高低电平)——这就是 GPIO。点 LED、读按键、控继电器、连各种简单外设,都用它。GPIO 子系统分两个角色:GPIO 控制器驱动(管理一组 GPIO,告诉内核"我这里有 N 根引脚、怎么读/写/设方向")和GPIO 消费者(别的驱动或设备树用户,通过 gpiod API 操作某根特定引脚)。这一篇讲控制器驱动怎么写(gpio_chip + 注册)、消费者怎么用(gpiod_* API)、以及设备树怎么描述"哪个设备用了哪根 GPIO"。

要了解什么

一、GPIO 控制器:`gpio_chip`

每个 GPIO 控制器(可能是一颗 SoC 的 GPIO 控制器,或一颗外扩的 I2C GPIO 芯片)内核里对应一个 struct gpio_chip(include/linux/gpio/driver.h:402)。它描述"这组 GPIO 有多少根、编号范围、以及读写它们的具体硬件操作"。核心回调:

get/set:读/写一根引脚的电平。
get_direction:查某根当前是输入还是输出。
direction_input/direction_output:设方向。
request/free:引脚被申请/释放时调(可用来检查冲突、做引脚初始化)。

注册:gpiochip_add_data(&gc, data)(:577)或 devm_gpiochip_add_data(devm_ 版,推荐),它把 gc 加进 gpiolib 全局表,这组 GPIO 就对消费者可见了。控制器驱动还要挂一个 gpio_chip 的设备树 gpio-controller 节点,描述这组 GPIO 的属性(#gpio-cells = <2>; 告诉消费者怎么在设备树里引用)。

二、消费者:`gpiod_*` 接口(6.x 推荐)

另一个驱动(比如 LED 驱动)要用某根 GPIO,不直接碰 gpio_chip,而是通过 gpiolib 的消费者接口(include/linux/gpio/consumer.h),基于 GPIO descriptor(struct gpio_desc *,不透明指针):

struct gpio_desc *led = gpiod_get(dev, "led", GPIOD_OUT_LOW);  /* 从设备树 "led-gpios" 属性拿 */
gpiod_set_value(led, 1);        /* 点亮 */
int v = gpiod_get_value(btn);   /* 读按键电平 */
gpiod_direction_output(led, 0); /* 改方向 */
gpiod_put(led);                 /* 释放 */

gpiod_get(dev, name, flags) 从设备的 device tree 节点按 <name>-gpios 属性名查到对应引脚,返回 descriptor——这把"哪根 GPIO"完全交给设备树描述,驱动代码和具体板子的 GPIO 编号解耦,换板子只改设备树。这就是 6.x 推荐的 gpiod 方式;老 API(gpio_request(num, ...)/gpio_set_value(num, val) 用硬编码整数编号)已被标记弃用——它把板子细节硬编码进驱动,违反设备树解耦原则。

三、设备树描述

GPIO 在设备树里两端写:控制器节点标 gpio-controller + #gpio-cells(说明引用格式),消费者节点用 <phandle> <gpio_num> <flags> 引用:

dts

gpio0: gpio@4000_0000 {
    compatible = "penguinlab,gpio";
    reg = <...>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;     /* 引用格式:<gpio_num> <flags> */
};

led {
    compatible = "penguinlab,led";
    led-gpios = <&gpio0 5 GPIO_ACTIVE_HIGH>;   /* gpiod_get(dev,"led",...) 找这个 */
};

gpiod_get 的 con_id="led" 会去设备树找 led-gpios 属性,取 &gpio0 的第 5 根、GPIO_ACTIVE_HIGH 极性——这套命名约定把"逻辑名(led)→ 物理引脚(gpio0 的 5 号)"的映射交给设备树。

四、与 pinctrl 的关系

GPIO 只管"引脚当 GPIO 用时的输入输出";但 SoC 的引脚往往是多功能复用的(mux)——同一根引脚可作 GPIO,也可作 UART_TX、I2C_SDA、SPI_CLK 等。把引脚"切到哪种功能"是 pinctrl 子系统的活;切到 GPIO 功能后,再用 gpiolib 读写它的电平。两者配合:pinctrl 管"功能复用",gpio 管"作为 GPIO 时的电平"。这就是为什么 SoC 引脚操作往往要同时配 pinctrl 和 gpio。

动手试试

cat /sys/kernel/debug/gpio(需 CONFIG_DEBUG_FS)看所有 GPIO 控制器、每根引脚的状态(方向/电平/谁申请了)
QEMU virt 机型 GPIO 资源有限,但可在设备树加一个虚拟 gpio-controller 节点 + 消费者节点(LED),写控制器驱动 gpiochip_add_data + 消费者驱动 gpiod_get/set,验证两端打通
读 drivers/gpio/gpio-mmio.c(基于内存映射的简单 GPIO 控制器驱动)看 gpio_chip 怎么填
故意用老的 gpio_request(num, ...) API 写消费者,观察 checkpatch 警告(体会"gpiod 取代整数 API"的迁移)
思考题:为什么 6.x 强烈推荐 gpiod_get + 设备树,而非老的整数编号 API?(提示:板子解耦)

延伸阅读

源码(本仓库 third_party/linux/,6.19.9):include/linux/gpio/driver.h:402 struct gpio_chip、:577 gpiochip_add_data;include/linux/gpio/consumer.h(gpiod_get/gpiod_set_value/gpiod_direction_*);老 API(弃用)include/linux/legacy_gpio.h;实现 drivers/gpio/gpiolib.c、drivers/gpio/gpiolib-of.c(设备树绑定);示例驱动 drivers/gpio/gpio-mmio.c、drivers/gpio/gpio-pca953x.c(I2C 外扩)。
kernel.org:GPIO driver interface、GPIO consumer interface、device tree binding。
关联本站:本篇是 00 driver model 的 GPIO 子系统类型;引脚功能复用见下一篇 16 pinctrl;设备树绑定见 11 drv-dts;Linux LED 子系统就是 GPIO 的典型消费者。

做什么 ​

要了解什么 ​

一、GPIO 控制器:gpio_chip ​

二、消费者:gpiod_* 接口(6.x 推荐) ​

三、设备树描述 ​

四、与 pinctrl 的关系 ​

动手试试 ​

延伸阅读 ​