Linux内核驱动之GPIO子系统API接口

1、前言

在嵌入式Linux开发中，对嵌入式SoC中的GPIO进行控制非常重要，Linux内核中提供了GPIO子系统，驱动开发者在驱动代码中使用GPIO子系统提供的API函数，便可以达到对GPIO控制的效果，例如将IO口的方向设置为输入或输出，当IO口的方向为输入时，可以通过调用API函数获取相应的IO口电平，当IO口设置为输出方向时，可以调用相关的API函数去设置IO口电平，本文将简单描述如何去使用Linux内核中GPIO子系统的API接口。

下图是Linux内核中GPIO子系统的软件驱动分层图：

2、常用API接口

当我们在驱动代码中要使用内核中提供的GPIO子系统，需要在驱动代码中包含<linux/gpio.h>头文件，另外，关于API接口函数的实现在内核源码drivers/gpio/gpiolib.c文件中，关于GPIO子系统的使用说明文档为Documentation/gpio.txt，该文档具有更详细的使用说明，接下来，将简单介绍一下常用的API接口。

/*
 * "valid" GPIO numbers are nonnegative and may be passed to
 * setup routines like gpio_request().  only some valid numbers
 * can successfully be requested and used.
 *
 * Invalid GPIO numbers are useful for indicating no-such-GPIO in
 * platform data and other tables.
 */
static inline bool gpio_is_valid(int number)
{
    return number >= 0 && number < ARCH_NR_GPIOS;
}

函数gpio_is_valid()用来判断获取到的gpio号是否是有效的，只有有效的gpio号，才能向内核中进行申请使用，因此，当我们从设备树的设备节点获取到gpio号，可以使用该函数进行判断是否有效。

/* Always use the library code for GPIO management calls,
 * or when sleeping may be involved.
 */
extern int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);
extern void gpio_free(unsigned gpio);

上面这两个函数用来向系统中申请GPIO和释放已经申请的GPIO，在函数gpio_request()中传入的形参中，gpio为IO号，label为向系统中申请GPIO使用的标签，类似于GPIO的名称。

/**
 * struct gpio - a structure describing a GPIO with configuration
 * @gpio:    the GPIO number
 * @flags:    GPIO configuration as specified by GPIOF_*
 * @label:    a literal description string of this GPIO
 */
struct gpio {
    unsigned    gpio;
    unsigned long    flags;
    const char    *label;
};

结构体struct gpio用来描述一个需要配置的GPIO。

extern int gpio_request_one(unsigned gpio, unsigned long flags, const char *label);
extern int gpio_request_array(const struct gpio *array, size_t num);
extern void gpio_free_array(const struct gpio *array, size_t num);

上面的3个函数也是用来向系统申请或者释放GPIO资源，函数gpio_request_one()用来申请单个GPIO，但是在申请的时候可以设置flag标志，例如，该函数在申请GPIO资源的同时，直接将GPIO的方向设置为输入或者输出，函数gpio_request_array()和gpio_free_array()用来向系统中申请或者释放多个GPIO资源。

/* CONFIG_GPIOLIB: bindings for managed devices that want to request gpios */

struct device;

int devm_gpio_request(struct device *dev, unsigned gpio, const char *label);
int devm_gpio_request_one(struct device *dev, unsigned gpio,
              unsigned long flags, const char *label);
void devm_gpio_free(struct device *dev, unsigned int gpio);

上面的3个函数也是用来向系统申请或者释放GPIO资源，但是函数带有devm_前缀，也就是说，这是带设备资源管理版本的函数，因此在使用上面的函数时，需要指定设备的struct device指针。

static inline int gpio_direction_input(unsigned gpio)
{
    return gpiod_direction_input(gpio_to_desc(gpio));
}
static inline int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value)
{
    return gpiod_direction_output_raw(gpio_to_desc(gpio), value);
}

当我们使用gpio_request()函数向系统中申请了GPIO资源后，可以使用上面的函数进行GPIO的方向设置，函数gpio_direction_input()用来设置GPIO的方向为输入，函数gpio_direction_output()用来设置GPIO的方向为输出，并且通过value值可以设置输出的电平。

static inline int gpio_get_value(unsigned int gpio)
{
    return __gpio_get_value(gpio);
}

static inline void gpio_set_value(unsigned int gpio, int value)
{
    __gpio_set_value(gpio, value);
}

当我们将GPIO的方向设置为输入时，可以使用上面的函数gpio_get_value()来获取当前的IO口电平值，当GPIO的方向设置为输出时，使用函数gpio_set_value()可以设置IO口的电平值。

static inline int gpio_cansleep(unsigned int gpio)
{
    return __gpio_cansleep(gpio);
}

使用函数gpio_cansleep()判断是否能处于休眠状态，当该函数返回非零值时，说明读或写GPIO的电平值时能够处于休眠状态。

static inline int gpio_get_value_cansleep(unsigned gpio)
{
    return gpiod_get_raw_value_cansleep(gpio_to_desc(gpio));
}
static inline void gpio_set_value_cansleep(unsigned gpio, int value)
{
    return gpiod_set_raw_value_cansleep(gpio_to_desc(gpio), value);
}

上面的函数同样是获取或者设置GPIO的电平值，只不过是带休眠版本的函数。

static inline int gpio_to_irq(unsigned int gpio)
{
    return __gpio_to_irq(gpio);
}

函数gpio_to_irq()用于将当前已经申请GPIO号转换为IRQ号，也就是获取当前GPIO的中断线，函数调用成功后，将返回对应的IRQ号。

以上就是Linux内核中GPIO子系统的常用的API接口，关于其代码的实现，可以进一步分析Linux内核源码。

3、实例说明

在上面，已经分析过了Linux驱动中GPIO子系统的常用API接口函数，接下来，将通过一个具体的实例来讲解GPIO子系统中API接口如何使用。

首先，先了解一下GPIO的使用思路，如下所示：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/gpio.h>
...

struct gpio_drvdata {
    /* gpio号 */
    int gpio_num;
    ...
};

static int __init gpio_init(void)
{
   struct gpio_drvdata *ddata;
   int ret;
   
   ddata = kzalloc(sizeof(*ddata), GFP_KERNEL);
   if (!ddata)
       return -ENOMEM;
    ...
    
    /* gpio初始化 */
    if (gpio_is_valid(ddata->gpio_num)) {
        /* 申请gpio资源 */
        ret = gpio_request(ddata->gpio_num, "test-gpio");
        if (ret) {
            printk("failed to request gpio\n");
            return ret;
        }
        
        /* 设置gpio的方向(输出) */
        ret = gpio_direction_output(ddata->gpio_num, 0);
        if (ret) {
            printk("failed to set output direction\n");
            return ret;
        }
        
        /* 在sysfs中导出gpio(方向能改变) */
        ret = gpio_export(ddata->gpio_num, true);
        if (ret) {
            printk("failed to export gpio in sysfs\n");
            return ret;
        }
        
        /* 设置gpio电平值(高电平) */
        gpio_set_value(ddata->gpio_num, 1);
    }
    ...
    
    return 0;
}

static void __exit gpio_exit(void)
{
    ...
    /* 释放已经申请的gpio资源 */
    if (gpio_is_valid(ddata->gpio_num))
        gpio_free(ddata->gpio_num);
    ...
}

module_init(gpio_init);
module_exit(gpio_exit);

上面的代码已经很清楚地体现了GPIO的使用思路，当驱动模块加载的时候，需要获取要使用的GPIO号，然后需要向系统申请使用GPIO资源，资源申请成功后，我们需要设置GPIO的方向（输入或者输出），此外，还能使用gpio_export()函数在sysfs中导出GPIO，导出的好处在于可以方便地debug代码，当驱动模块卸载时，需要将已经申请的GPIO资源进行释放掉，基本的使用思路就这样，比较简单。

接下来，给出具体的实例，功能为简单的GPIO控制，驱动程序中嵌入platform_driver框架，另外，在设备节点中导出ctrl和gpio两个属性文件，应用层对ctrl属性文件进行读写操作，能够获取和设置GPIO的电平状态，对gpio读操作，能够获取使用的GPIO号，下面是具体实例的实现过程：

先定义相关的设备节点，如下：

dev_gpio {
    status = "okay";
    compatible = "dev-gpio";
    label = "test_gpio";
    gpios = <&msm_gpio 68 0>;
};

使用了GPIO_68这个引脚，compatible属性的值用于和驱动程序进行匹配，接下来是驱动代码的实现：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/sysfs.h>

struct gpio_platform_data {
    const char *label;
    unsigned int gpio_num;
    enum of_gpio_flags gpio_flag;
};

struct gpio_drvdata {
    struct gpio_platform_data *pdata;
    
    bool gpio_state;
};

static ssize_t ctrl_show(struct device *dev, 
    struct device_attribute *attr, char *buf)
{
    struct gpio_drvdata *ddata = dev_get_drvdata(dev);
    int ret;

    if (ddata->gpio_state)
        ret = snprintf(buf, PAGE_SIZE - 2, "%s", "enable");
    else
        ret = snprintf(buf, PAGE_SIZE - 2, "%s", "disable");
    
    buf[ret++] = '\n';
    buf[ret] = '\0';

    return ret;
}

static ssize_t ctrl_store(struct device *dev,
    struct device_attribute *attr, const char *buf, size_t count)
{
    struct gpio_drvdata *ddata = dev_get_drvdata(dev);
    bool state = ddata->gpio_state;

    if (!strncmp(buf, "enable", strlen("enable"))) {
        if (!state) {
            gpio_set_value(ddata->pdata->gpio_num, !state);
            ddata->gpio_state = !state;
            goto ret;
        }
    } else if (!strncmp(buf, "disable", strlen("disable"))) {
        if (state) {
            gpio_set_value(ddata->pdata->gpio_num, !state);
            ddata->gpio_state = !state;
            goto ret;
        }
    }

    return 0;

ret:
    return strlen(buf);
}
static DEVICE_ATTR(ctrl, 0644, ctrl_show, ctrl_store);

static ssize_t gpio_show(struct device *dev,
    struct device_attribute *attr, char *buf)
{
    struct gpio_drvdata *ddata = dev_get_drvdata(dev);
    int ret;

    ret = snprintf(buf, PAGE_SIZE - 2, "gpio-number: GPIO_%d",
        ddata->pdata->gpio_num - 911);
    buf[ret++] = '\n';
    buf[ret] = '\0';
    
    return ret;
}
static DEVICE_ATTR(gpio, 0444, gpio_show, NULL);

static struct attribute *gpio_attrs[] = {
    &dev_attr_ctrl.attr,
    &dev_attr_gpio.attr,
    NULL
};

static struct attribute_group attr_grp = {
    .attrs = gpio_attrs,
};

static struct gpio_platform_data *
gpio_parse_dt(struct device *dev)
{
    int ret;
    struct device_node *np = dev->of_node;
    struct gpio_platform_data *pdata;
    
    pdata = kzalloc(sizeof(*pdata), GFP_KERNEL);
    if (!pdata) {
        dev_err(dev, "failed to alloc memory of platform data\n");
        return NULL;
    }

    ret = of_property_read_string(np, "label", &pdata->label);
    if (ret) {
        dev_err(dev, "failed to read property of lable\n");
        goto fail;
    }

    pdata->gpio_num = of_get_named_gpio_flags(np, "gpios",
                0, &pdata->gpio_flag);
    if (pdata->gpio_num < 0) {
        dev_err(dev, "invalid gpio number %d\n", pdata->gpio_num);
        ret = pdata->gpio_num;
        goto fail;
    }

    return pdata;

fail:
    kfree(pdata);
    return ERR_PTR(ret);
}

static int gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct gpio_drvdata *ddata;
    struct gpio_platform_data *pdata;
    struct device *dev = &pdev->dev;
    struct device_node *np = dev->of_node;
    int ret;

    printk("[%s]==========gpio_probe start==========\n", __func__);
    
    if (!np) {
        dev_err(dev, "failed to find device node of gpio device\n");
        return -ENODEV;
    }

    ddata = kzalloc(sizeof(*ddata), GFP_KERNEL);
    if (!ddata) {
        dev_err(dev, "failed to alloc memory for driver data\n");
        return -ENOMEM;
    }

    pdata = gpio_parse_dt(dev);
    if (IS_ERR(pdata)) {
        dev_err(dev, "failed to parse device node\n");
        ret = PTR_ERR(pdata);
        goto fail1;
    }

    if (gpio_is_valid(pdata->gpio_num)) {
        ret = gpio_request(pdata->gpio_num, pdata->label);
        if (ret) {
            dev_err(dev, "failed to request gpio number %d\n",
                pdata->gpio_num);
            goto fail2;
        }
        
        ret = gpio_direction_output(pdata->gpio_num, 0);
        if (ret) {
            dev_err(dev, "failed to set gpio direction for output\n");
            goto fail3;
        }
        
        ret = gpio_export(pdata->gpio_num, false);
        if (ret) {
            dev_err(dev, "failed to export gpio %d\n", pdata->gpio_num);
            goto fail3;
        }
    }

    ddata->gpio_state = false;
    ddata->pdata = pdata;
    platform_set_drvdata(pdev, ddata);

    ret = sysfs_create_group(&dev->kobj, &attr_grp);
    if (ret) {
        dev_err(dev, "failed to create sysfs files\n");
        goto fail3;
    }

    printk("[%s]==========gpio_probe over==========\n", __func__);
    return 0;
    
fail3:
    gpio_free(pdata->gpio_num);
fail2:
    kfree(pdata);
fail1:
    kfree(ddata);
    return ret;
}

static int gpio_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct gpio_drvdata *ddata = platform_get_drvdata(pdev);
    struct gpio_platform_data *pdata = ddata->pdata;

    sysfs_remove_group(&pdev->dev.kobj, &attr_grp);
    
    if (gpio_is_valid(pdata->gpio_num))
        gpio_free(pdata->gpio_num);

    kfree(pdata);
    pdata = NULL;
    
    kfree(ddata);
    ddata = NULL;

    return 0;
}

static struct of_device_id device_match_table[] = {
    { .compatible = "dev-gpio",},
    { },
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, device_match_table);

static struct platform_driver dev_gpio_driver = {
    .probe = gpio_probe,
    .remove = gpio_remove,
    .driver = {
        .name = "dev-gpio",
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = device_match_table,
    },
};

module_platform_driver(dev_gpio_driver);

MODULE_AUTHOR("HLY");
MODULE_LICENSE("GPL v2");

实现的思路和前面给出的模板一样，只不过是嵌入了platform_driver这个驱动框架，另外，在设备节点中导出了ctrl和gpio属性文件，便可以很方便地在应用层进行设备的GPIO控制了。

接下来，看看实现的效果，首先是生成的设备节点信息，可以使用下面的命令：

# ls -al
# cat uevent

输出如下：

通过uevent可以看到设备节点的路径以及驱动和设备匹配的属性值，此外，在上面图片中，也可以看到ctrl和gpio属性文件已经被成功导出到了该设备节点下面，使用下面的命令可以进行GPIO的控制：

##将GPIO置高电平
# echo "enable" > ctrl

##将GPIO置低电平
# echo "disable" > ctrl

控制的效果如下所示：

另外，在驱动程序中，我们使用了函数gpio_export()在sysfs中导出相关的GPIO信息，我们可以到/sys/class/gpio/gpioN目录下查看相关的GPIO信息，如下：

属性文件value保存了当前GPIO的电平值，当我们调用gpio_export()函数时，将第二个形参传入为true时，表示GPIO的方向还能改变，将在上面的目录中生成direction属性文件，里面保存了当前GPIO的方向，我们还能使用echo命令对文件进行写操作，从而改变GPIO的方向。

4、小结

本文简单介绍了Linux中GPIO子系统中的常用的API接口函数，并且给出了驱动程序中使用GPIO子系统的思路，另外还通过一个简单的实例进行说明。

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