4. GPIO驱动与板级适配

在 TI Sitara（AM335x/AM437x/AM57xx 等）平台上，GPIO 是最基础也最容易被低估的外设。它既可能只是一个点灯的输出脚，也可能承担按键输入、外部中断源、复位控制、电源使能等关键角色。要把它用稳，需要同时理解三层内容：SoC 内部的 GPIO 控制器结构、Linux gpio 子系统提供的 API 抽象，以及设备树如何把“第几个 bank 的第几号引脚”翻译成驱动可用的资源。

一、Sitara GPIO 控制器结构

以 AM335x 为例，芯片内部集成 4 个 GPIO 模块（GPIO0～GPIO3），每个模块管理 32 条引脚，共 128 条 GPIO。每条引脚在控制器内部对应一个数据位，寄存器组按 bank 组织，典型寄存器包括：

• GPIO_OE：方向寄存器，某位为 1 表示输出，为 0 表示输入（注意与直觉相反，这是 Sitara 的约定）。
• GPIO_DATAIN：只读，反映引脚当前电平。
• GPIO_DATAOUT：输出数据寄存器，写入即改变输出电平。
• GPIO_LEVELDETECT0/1、GPIO_RISINGDETECT、GPIO_FALLINGDETECT：中断触发方式配置。
• GPIO_IRQSTATUS_0/1、GPIO_IRQSTATUS_SET_0/1、GPIO_IRQSTATUS_CLR_0/1：中断状态与使能/清除。

每个 bank 的中断输出会汇聚到 GIC（Cortex-A8 的中断控制器），在 AM335x 上通常映射为 IRQ 96～127 这一段。也就是说，GPIO0 的 32 条引脚共享一个 bank 级中断线，进入中断服务程序后必须通过 IRQSTATUS 判断具体是哪一位触发，再分发给对应的处理逻辑。这一点是理解后续“中断映射”和“共享中断”的关键。

二、gpio 子系统 API

Linux 内核的 gpio 子系统把不同 SoC 的 GPIO 控制器统一抽象为 struct gpio_chip，驱动开发者通常不直接操作寄存器，而是使用以下 API：

int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);
void gpio_free(unsigned gpio);
int gpio_direction_input(unsigned gpio);
int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);
int gpio_get_value(unsigned gpio);
void gpio_set_value(unsigned gpio, int value);
int gpio_to_irq(unsigned gpio);

其中 gpio_to_irq() 把某个 GPIO 编号转换成对应的 Linux 虚拟中断号，这是按键中断驱动中最常用的一步。较新的内核推荐使用描述符式 API（gpiod_get()、gpiod_get_value()、gpiod_to_irq()），它天然与设备树绑定，能避免全局 GPIO 编号冲突。在 Sitara 上，GPIO 编号通常按 bank * 32 + pin 计算，例如 GPIO1_28 对应编号 60。

三、中断映射与设备树配置

设备树是板级适配的核心。一个典型的按键节点如下：

gpio_keys {
    compatible = "gpio-keys";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = &key_pins;

    button0 {
        label = "user-key";
        gpios = <&gpio1 28 GPIO_ACTIVE_LOW>;
        linux,code = <KEY_ENTER>;
        interrupt-parent = <&gpio1>;
        interrupts = <28 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;
    };
};

这里 interrupt-parent 指向 GPIO1 控制器，interrupts 的第一个单元格是 bank 内引脚号，第二个是触发类型。GPIO_ACTIVE_LOW 表示低电平有效，与按键按下接地一致。LED 节点则更简单，通常用 gpios = <&gpio1 28 GPIO_ACTIVE_HIGH> 配合 gpio-leds 驱动即可。

四、按键与 LED 驱动实战

下面给出一个最小可用的按键中断驱动骨架，用于演示申请 GPIO、映射中断、注册处理函数和防抖的完整链路：

static irqreturn_t key_isr(int irq, void *dev_id)
{
    struct key_dev *k = dev_id;
    unsigned long flags;

    spin_lock_irqsave(&k->lock, flags);
    if (time_before(jiffies, k->last_jiffies + msecs_to_jiffies(20))) {
        spin_unlock_irqrestore(&k->lock, flags);
        return IRQ_HANDLED;   /* 20ms 内重复触发，判为抖动 */
    }
    k->last_jiffies = jiffies;
    k->press_count++;
    spin_unlock_irqrestore(&k->lock, flags);

    schedule_work(&k->work);   /* 下半部处理，避免中断上下文耗时 */
    return IRQ_HANDLED;
}

这段代码体现了两个工程要点：第一，用 jiffies 做时间窗过滤，20ms 内的重复中断直接丢弃，这是最轻量的软件防抖；第二，中断上下文只做计数和调度，真正的按键事件上报放到工作队列中完成，避免在中断里调用可能睡眠的函数。

五、防抖与中断处理策略

机械按键在按下和释放瞬间会产生 5～20ms 的抖动，表现为电平快速跳变。处理方式有三类：

• 硬件防抖：在按键两端并联 100nF 电容，或使用 RC 滤波，成本低但会改变边沿速度。
• 软件时间窗：如上面的 jiffies 判断，实现简单，适合中断触发场景。
• 定时器轮询：中断触发后启动 20ms 定时器，到期再采样电平，确认稳定后才上报，抗干扰更强。

在 Sitara 上还需要注意：GPIO bank 中断是共享的，如果同一 bank 上有多个中断源，ISR 中应先读 GPIO_IRQSTATUS_0/1 判断是哪一位触发，处理完再写 GPIO_IRQSTATUS_CLR 清除，否则会出现中断风暴。对于边沿触发，建议在设备树中明确写 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING 或 IRQ_TYPE_EDGE_BOTH，不要依赖默认值。

把以上内容串起来，Sitara 的 GPIO 适配可以概括为一条清晰的链路：设备树描述引脚与中断属性 → pinctrl 完成复用配置 → gpio 子系统申请并映射中断 → 驱动在 ISR 中判位、防抖、调度下半部 → 用户空间通过 input 子系统或 sysfs 看到按键与 LED 的实际行为。掌握这条链路，后续的 I2C、SPI 等外设适配也会顺畅很多。