3. GPIO子系统基础

3.1 GPIO硬件原理与电气特性

GPIO（General Purpose Input/Output）是嵌入式系统中最基础、最灵活的硬件接口。理解其硬件原理是编写正确驱动的前提。

3.1.1 GPIO内部结构

一个典型的GPIO引脚内部包含以下关键单元：

• 输出驱动器：推挽（Push-Pull）或开漏（Open-Drain）结构，决定引脚驱动能力。
• 输入缓冲器：施密特触发器或TTL电平缓冲，用于读取外部信号。
• 上拉/下拉电阻：可配置的内部弱上拉或弱下拉，防止引脚浮空。
• 复用选择器：将引脚连接到GPIO控制器或其它外设（如UART、I2C、SPI）。
• 中断检测逻辑：支持上升沿、下降沿、高电平、低电平触发。

3.1.2 关键电气参数

3.2 Linux GPIO子系统架构

Linux GPIO子系统采用分层架构设计，将硬件操作细节与驱动开发者隔离，提供统一的API接口。

3.2.1 架构层次

从底层到上层，GPIO子系统分为以下三层：

1. GPIO控制器驱动层：由芯片厂商实现，操作硬件寄存器，注册gpio_chip结构体。
2. gpiolib核心层：管理所有GPIO控制器，提供统一的编号分配、请求/释放、读写接口。
3. GPIO使用者层：驱动开发者通过gpiolib API或GPIO consumer接口使用GPIO。

3.2.2 关键数据结构

gpiolib核心层使用两个核心数据结构管理GPIO：

3.3 gpiolib API介绍

gpiolib提供两套API：传统整数编号API（legacy）和描述符API（descriptor-based）。新驱动开发应使用描述符API。

3.3.1 描述符API（推荐）

描述符API通过设备树或ACPI获取GPIO，返回struct gpio_desc *指针，操作更安全、更清晰。

3.3.2 传统整数API（仅维护兼容）

3.3.3 实战代码示例：使用描述符API驱动LED

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/of.h>

struct my_led_data {
    struct gpio_desc *led_gpio;
};

static int my_led_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_led_data *data;
    int ret;

    data = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL);
    if (!data)
        return -ENOMEM;

    // 从设备树获取名为"led-gpios"的GPIO描述符
    data->led_gpio = gpiod_get(&pdev->dev, "led", GPIOD_OUT_LOW);
    if (IS_ERR(data->led_gpio)) {
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to get LED GPIO\n");
        return PTR_ERR(data->led_gpio);
    }

    // 设置输出方向并输出高电平（点亮LED）
    gpiod_set_value(data->led_gpio, 1);

    platform_set_drvdata(pdev, data);
    dev_info(&pdev->dev, "LED GPIO driver probed successfully\n");
    return 0;
}

static int my_led_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct my_led_data *data = platform_get_drvdata(pdev);

    // 关闭LED并释放GPIO
    gpiod_set_value(data->led_gpio, 0);
    gpiod_put(data->led_gpio);
    return 0;
}

static const struct of_device_id my_led_of_match[] = {
    { .compatible = "mycompany,my-led" },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_led_of_match);

static struct platform_driver my_led_driver = {
    .probe  = my_led_probe,
    .remove = my_led_remove,
    .driver = {
        .name = "my_led",
        .of_match_table = my_led_of_match,
    },
};
module_platform_driver(my_led_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Driver Developer");
MODULE_DESCRIPTION("GPIO LED driver using descriptor API");

3.4 设备树中的GPIO描述

设备树是描述GPIO连接的标准方式。以下是一个典型示例：

/ {
    my_led {
        compatible = "mycompany,my-led";
        led-gpios = &gpio1 15 GPIO_ACTIVE_HIGH;
        status-gpios = &gpio2 3 GPIO_ACTIVE_LOW;
    };
};