6. GPIO 使用

6.1. 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。 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,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。

ITX-3588J 开发板为了方便用户开发使用,引出了一排扩展的GPIO口供用户调试和开发,其对应引脚如下。 _images/usage_gpio_interface.jpg

本文以 GPIO1_D0 和 GPIO1_D1 这两个 GPIO 口为例写一份简单操作 GPIO 口的驱动,在 SDK 的路径为 kernel-5.10/drivers/gpio/gpio-firefly.c,以下就以该驱动为例介绍 GPIO 的操作。

6.2. GPIO引脚计算

Core-3588J 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,常用以下公式计算引脚:

GPIO pin脚计算公式:pin = bank * 32 + number

GPIO 小组编号计算公式:number = group * 8 + X

下面演示GPIO1_D0 pin脚计算方法:

bank = 1;      //GPIO1_D0 => 1, bank ∈ [0,4]

group = 3;      //GPIO1_D0 => 3, group ∈ {(A=0), (B=1), (C=2), (D=3)}

X = 0;       //GPIO1_D0 => 0, X ∈ [0,7]

number = group * 8 + X = 3 * 8 + 0 = 24

pin = bank*32 + number= 1 * 32 + 24 = 56;

GPIO1_D0 对应的设备树属性描述为:<&gpio1 24 GPIO_ACTIVE_HIGH>,由kernel-5.10/include/dt-bindings/pinctrl/rockchip.h的宏定义可知,也可以将GPIO1_D0描述为<&gpio1 RK_PD0 GPIO_ACTIVE_HIGH>。

#define RK_PA0		0
#define RK_PA1		1
#define RK_PA2		2
#define RK_PA3		3
#define RK_PA4		4
#define RK_PA5		5
#define RK_PA6		6
#define RK_PA7		7
#define RK_PB0		8
#define RK_PB1		9
#define RK_PB2		10
#define RK_PB3		11
...

当GPIO1_D0脚没有被其它外设复用时, 我们可以通过export导出该引脚去使用

:/ # ls /sys/class/gpio/
export     gpiochip128  gpiochip32   gpiochip64  unexport
gpiochip0  gpiochip200  gpiochip509  gpiochip96
:/ # echo 56 > /sys/class/gpio/export
:/ # ls /sys/class/gpio/
export  gpiochip0    gpiochip200  gpiochip509  gpiochip96
gpio56  gpiochip128  gpiochip32   gpiochip64   unexport
:/ # ls /sys/class/gpio/gpio56
active_low  device  direction  edge  power  subsystem  uevent  value
:/ # cat /sys/class/gpio/gpio56/direction
in
:/ # cat /sys/class/gpio/gpio56/value
0

6.3. 输入输出

首先在 DTS 文件中增加驱动的资源描述:

kernel-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588-firefly-demo.dtsi

/{
    gpio_demo: gpio_demo{
        compatible = "firefly,rk3588-gpio";
        status = "okay";
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&pin56_57_gpio>;

        firefly-gpio = <&gpio1 RK_PD0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;             /*GPIO1_D0*/
        firefly-irq-gpio = <&gpio1 RK_PD1 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;    /*GPIO1_D1*/

    };
};

&pinctrl {
    gpio{
        pin56_57_gpio: pin56_57_gpio{
            rockchip,pins =

            <1 RK_PD0 0 &pcfg_pull_none>,
            <1 RK_PD1 0 &pcfg_pull_none>; 

        };
    };
};

这里定义了一个脚作为一般的输出输入口:


firefly-gpio GPIO1_D0

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 finish \n");
	...
}

of_get_named_gpio_flags 从设备树中读取 firefly-gpiofirefly-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);

6.4. 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-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588-firefly-demo.dtsi
gpio {
	compatible = "firefly-gpio";

	firefly-irq-gpio = <&gpio1 RK_PD1 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;  /* GPIO1_D1 */

};

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"))
		{
			dev_err(&pdev->dev, "firefly-irq-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);
		}
	}
	printk("Firefly irq gpio finish \n");
	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。

6.5. 复用

GPIO 口除了通用输入输出、中断功能外,还可能有其它复用功能,以GPIO1_D0为例, 就有如下几个功能:

func0 func1 func2 func3 func4
GPIO1_D0 I2S0_SDO1 I2C7_SCL_M0 UART6_TX_M2 SPI1_MISO_M2

查看 /d/pinctrl/pinctrl-rockchip-pinctrl/pinmux-pins,查看各个引脚的作用,如果发现GPIO1_D0和GPIO1_D1被复用为I2c,则在dts中关闭它

&i2c7 {
    status = "disabled";
};

gpio_demo: gpio_demo {
    status = "okay";
    compatible = "firefly,rk3588-gpio";
    firefly-gpio = <&gpio1 24 GPIO_ACTIVE_HIGH>;          /* GPIO1_D0 */
    firefly-irq-gpio = <&gpio1 25 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;  /* GPIO1_D1 */
};

Note: 此处 GPIO1_D0 仅作示例,实际使用中不推荐如此修改

上面介绍了在DTS上修改,那在运行时又如何切换功能呢?下面以 I2C7_m0 为例作简单的介绍,详细介绍可以参考RKDocs/common/PIN-Ctrl/Rockchip-Developer-Guide-Linux-Pin-Ctrl-CN.pdf

查规格表可知,I2C7_SDA_M0 与 I2C7_SCL_M0 的功能定义如下:

Pad# func0 func1 func2 func3 func4 func5
I2C7_SCL_M0/GPIO1_D0 GPIO1_D0 UART6_TX_M2 SPI1_MISO_M2 I2S0_SDO1
I2C7_SDA_M0/GPIO1_D1 GPIO1_D1 UART6_RX_M2 SPI1_MOSI_M2 I2S0_SDO2 I2S0_SDI3 PDM0_SDI1_M0

kernel-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588s.dtsi 里有:

i2c7: i2c@fec90000 {
	compatible = "rockchip,rk3588-i2c", "rockchip,rk3399-i2c";
	reg = <0x0 0xfec90000 0x0 0x1000>;
	clocks = <&cru CLK_I2C7>, <&cru PCLK_I2C7>;
	clock-names = "i2c", "pclk";
	interrupts = <GIC_SPI 324 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&i2c7m0_xfer>;
	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <0>;
	status = "disabled";
};

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: &i2c7m0_xfer

  • pinctrl-1 定义了状态 1 (即 gpio)时需要设置的 pinctrl: &i2c7m0_gpio

这些 pinctrl 在 kernel-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588s.dtsi 中这样定义:

pinctrl: pinctrl {
	compatible = "rockchip,rk3588-pinctrl";
	rockchip,grf = <&ioc>;
	#address-cells = <2>;
	#size-cells = <2>;
	ranges;
	...
};

kernel-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588s-pinctrl.dtsi中有i2c7的定义

i2c7 {
	/omit-if-no-ref/
	i2c7m0_xfer: i2c7m0-xfer {
		rockchip,pins =
			/* i2c7_scl_m0 */
			<1 RK_PD0 9 &pcfg_pull_none_smt>,
			/* i2c7_sda_m0 */
			<1 RK_PD1 9 &pcfg_pull_none_smt>;
	};
};

RK_FUNC_GPIO 的定义在 kernel-5.10/include/dt-bindings/pinctrl/rockchip.h ,此处简写作0:

#define RK_FUNC_GPIO	0

知道了上面关于i2c7的定义后,在 kernel-5.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3588-firefly-demo.dtsi 中为i2c7节点添加gpio的资源

&i2c7 {
    status = "okay";
    pinctrl-names = "default","i2c7_gpio";
    pinctrl-1 = <&i2c7m0_gpio>;
    gpios = <&gpio1 RK_PD0 GPIO_ACTIVE_HIGH>,<&gpio1 RK_PD1 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};

&pinctrl {
    i2c7{
        /omit-if-no-ref/
        i2c7m0_gpio: i2c7m0-gpio{
        rockchip,pins =
            /* i2c7_gpio1_d0 */
            <1 RK_PD0 0 &pcfg_pull_none>,
            /* i2c7_gpio1_d1 */
            <1 RK_PD1 0 &pcfg_pull_none>; 
        };
    }; 
};

i2c驱动注册流程如下:

rk3x_i2c_driver_init
    platform_driver_register
        driver_register
            bus_add_driver
                driver_attach
                    bus_for_each_dev
                        __driver_attach
                            device_driver_attach
                                driver_probe_device
                                    really_probe
                                        pinctrl_bind_pins
                                            pinctrl_select_state

pinctrl_select_state是选择pinctrl的函数,它用来选择我们dts中设置的pinctrl。

6.6. 调试方法

6.6.1. 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:

console:/ $ cat sys/kernel/debug/gpio                                          
gpiochip0: GPIOs 0-31, parent: platform/fd8a0000.gpio, gpio0:
 gpio-0   (                    |bt_default_wake_host) in  lo 
 gpio-21  (                    |bt_default_wake     ) in  lo 
 gpio-22  (                    |bt_default_reset    ) out lo 

gpiochip1: GPIOs 32-63, parent: platform/fec20000.gpio, gpio1:
 gpio-34  (                    |bt_default_rts      ) in  hi 
 gpio-36  (                    |hpd                 ) in  lo 
 gpio-43  (                    |:power              ) out hi 
 gpio-44  (                    |reset               ) out hi 
 gpio-52  (                    |hp-det              ) in  hi ACTIVE LOW
 gpio-56  (                    |firefly-gpio        ) out hi 
 gpio-57  (                    |firefly-irq-gpio    ) in  hi 
 gpio-61  (                    |hdmirx-det          ) in  hi ACTIVE LOW
 ...

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 GPIO1 组为例,gpio-56(GPIO1_D0) 输出高电平 (out hi)。

6.6.2. 查看 pinmux-pins

使用命令

:/ # cat /d/pinctrl/pinctrl-rockchip-pinctrl/pinmux-pins

得到结果

Pinmux settings per pin 
Format: pin (name): mux_owner gpio_owner hog? 
pin 0 (gpio0-0): wireless-bluetooth gpio0:0 function wireless-bluetooth group bt-irq-gpio    
pin 1 (gpio0-1): (MUX UNCLAIMED) (GPIO UNCLAIMED)                                    
pin 2 (gpio0-2): (MUX UNCLAIMED) (GPIO UNCLAIMED)        
pin 3 (gpio0-3): (MUX UNCLAIMED) (GPIO UNCLAIMED)       
pin 4 (gpio0-4): fe2c0000.mmc (GPIO UNCLAIMED) function sdmmc group sdmmc-det   
...

解析: pin 0这一列表示引脚编号,gpio0-0这一列表示gpio组编号,后面MUX UNCLAIMED这一列表示数据选择器的拥有者,GPIO UNCLAIMED这一列表示gpio的拥有者。

其中 MUX UNCLAIMED 表示该引脚还没有被节点使用pinctrl去进行控制,例如:节点 i2c7 被启用,它拥有pinctrl-0属性,对引脚pin 56功能作出出修改,复用为i2c ,则该引脚的信息会变为pin 56 (gpio1-24): fec90000.i2c (GPIO UNCLAIMED) function i2c7 group i2c7m0-xfer ,它被地址为0xfec90000、名字为i2c的节点使用pinctrl配置,pinctrl的值是i2cm0-xfer。

GPIO UNCLAIMED表示还没有注册的gpio使用该引脚,我们用上述gpio_demo例子去注册该引脚,引脚信息会变成pin 56 (gpio1-24): gpio_demo gpio1:56 function gpio group pin56_57_gpio ,它被名为gpio_demo的节点使用pinctrl配置,pinctrl的值是pin56_57_gpio,该引脚还被申请为gpio。

6.7. FAQs

6.7.1. 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。

6.7.2. 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。

6.7.3. 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。

6.7.4. 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。