📚 课程目录第4章 GPIO子系统驱动开发

4. GPIO子系统驱动开发：从框架到实战

GPIO，说白了就是芯片的“手脚”。你要控制LED亮灭、检测按键按下，都得靠它。在Linux里，GPIO驱动已经封装得很好了，我们不需要直接操作寄存器——除非你想自己造轮子。

我个人习惯，拿到一个新板子，先看GPIO的用法。因为这是最基础的外设，也是验证硬件是否正常的第一步。今天我们就从框架到实战，把GPIO子系统彻底搞明白。

4.1 GPIO子系统框架：三层结构

Linux的GPIO子系统分三层，我画了个图，你看一眼就懂了：

用户空间通过/sys/class/gpio或libgpiod操作GPIO。内核空间里，gpiolib负责管理所有GPIO。硬件层就是芯片原厂提供的驱动，全志T113的GPIO控制器驱动已经写好了，我们只需要配置设备树，然后调用API就行。

我的经验：刚开始学的时候，别急着看gpiolib源码。先学会用API，等遇到性能瓶颈了再回头研究。我当年就是一头扎进源码，结果越看越晕。

4.2 设备树中GPIO的配置

设备树是Linux描述硬件的“语言”。全志T113的GPIO引脚，在设备树里用gpios属性来描述。格式是：

gpios = <&gpio_bank pin_index flags>;

举个例子，控制一个LED：

leds {
    compatible = "gpio-leds";
    led_red {
        label = "red-led";
        gpios = <&pio 1 2 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        default-state = "off";
    };
};

这里&pio是GPIO控制器的引用，1是bank号（PB组），2是引脚号（PB2），GPIO_ACTIVE_HIGH表示高电平点亮。

参数	说明	全志T113示例
gpio_bank	GPIO组控制器节点引用	&pio (PA/PB/PC...)
pin_index	组内引脚编号，从0开始	2 表示该组第3个引脚
flags	电平极性：高有效/低有效	GPIO_ACTIVE_HIGH / LOW

注意：我曾经在项目里把bank号和引脚号搞反了，结果LED死活不亮。查了两天才发现是设备树写错了。全志T113的bank编号：PA=0, PB=1, PC=2, PD=3，以此类推。

4.3 使用GPIO子系统API控制LED

设备树配好了，驱动里怎么用？核心API就几个：

// 获取GPIO描述符
struct gpio_desc *gpiod_get(struct device *dev, const char *con_id, 
                            enum gpiod_flags flags);

// 设置方向
int gpiod_direction_output(struct gpio_desc *desc, int value);

// 设置/读取电平
void gpiod_set_value(struct gpio_desc *desc, int value);
int gpiod_get_value(struct gpio_desc *desc);

// 释放
void gpiod_put(struct gpio_desc *desc);

写一个LED驱动的核心代码：

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

struct led_data {
    struct gpio_desc *led_gpio;
};

static int led_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct led_data *data;
    struct device *dev = &pdev->dev;

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

    // 从设备树获取GPIO，con_id对应设备树里的"led-gpios"
    data->led_gpio = devm_gpiod_get(dev, "led", GPIOD_OUT_LOW);
    if (IS_ERR(data->led_gpio)) {
        dev_err(dev, "Failed to get LED GPIO\n");
        return PTR_ERR(data->led_gpio);
    }

    // 设置输出方向，初始低电平
    gpiod_direction_output(data->led_gpio, 0);

    platform_set_drvdata(pdev, data);
    return 0;
}

static int led_remove(struct platform_device *pdev)
{
    // devm_* 系列会自动释放，这里可以留空
    return 0;
}

static const struct of_device_id led_of_match[] = {
    { .compatible = "mycompany,led-driver" },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, led_of_match);

static struct platform_driver led_driver = {
    .probe  = led_probe,
    .remove = led_remove,
    .driver = {
        .name = "my-led",
        .of_match_table = led_of_match,
    },
};
module_platform_driver(led_driver);

你想想看，用devm_gpiod_get的好处是什么？自动管理生命周期，probe里申请，remove时自动释放。我早期写驱动都是手动gpiod_get/gpiod_put配对，后来发现devm_系列函数太香了，省心不少。

4.4 按键输入与中断驱动

按键检测有两种方式：轮询和中断。轮询浪费CPU，中断才是正经做法。全志T113的GPIO可以配置为中断源，设备树里这样配：

key {
    compatible = "mycompany,key-driver";
    key-gpios = <&pio 3 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;  // PD5，低电平表示按下
    interrupts-extended = <&pio 3 5 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;
};

驱动里申请中断的API：

// 将GPIO转为中断号
int gpiod_to_irq(const struct gpio_desc *desc);

// 申请中断
int devm_request_irq(struct device *dev, unsigned int irq,
                     irq_handler_t handler, unsigned long flags,
                     const char *name, void *dev_id);

完整按键中断驱动示例：

struct key_data {
    struct gpio_desc *key_gpio;
    int irq;
};

static irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    struct key_data *data = dev_id;
    int val;

    // 读取当前电平，确认按键状态
    val = gpiod_get_value(data->key_gpio);
    if (val == 0) {
        pr_info("Key pressed!\n");
    } else {
        pr_info("Key released!\n");
    }

    return IRQ_HANDLED;
}

static int key_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct key_data *data;
    struct device *dev = &pdev->dev;
    int ret;

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

    // 获取按键GPIO
    data->key_gpio = devm_gpiod_get(dev, "key", GPIOD_IN);
    if (IS_ERR(data->key_gpio)) {
        dev_err(dev, "Failed to get key GPIO\n");
        return PTR_ERR(data->key_gpio);
    }

    // 设置为输入
    gpiod_direction_input(data->key_gpio);

    // 获取中断号
    data->irq = gpiod_to_irq(data->key_gpio);
    if (data->irq < 0) {
        dev_err(dev, "Failed to get IRQ\n");
        return data->irq;
    }

    // 申请中断，下降沿触发
    ret = devm_request_irq(dev, data->irq, key_irq_handler,
                           IRQF_TRIGGER_FALLING, "my-key", data);
    if (ret) {
        dev_err(dev, "Failed to request IRQ\n");
        return ret;
    }

    dev_info(dev, "Key driver loaded, IRQ=%d\n", data->irq);
    platform_set_drvdata(pdev, data);
    return 0;
}

static const struct of_device_id key_of_match[] = {
    { .compatible = "mycompany,key-driver" },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, key_of_match);

static struct platform_driver key_driver = {
    .probe  = key_probe,
    .remove = key_remove,
    .driver = {
        .name = "my-key",
        .of_match_table = key_of_match,
    },
};
module_platform_driver(key_driver);

  关键点：中断处理函数里不要做耗时操作。我见过有人直接在中断里调用msleep，结果系统直接卡死。中断里只做标记，真正的处理放到工作队列或tasklet里。

4.5 避坑指南：我踩过的那些坑

GPIO复用冲突：全志T113的引脚功能很多，同一个引脚可能是GPIO，也可能是UART或I2C。设备树里配了GPIO，但pinctrl没配对，结果引脚没反应。检查/sys/kernel/debug/gpio可以看当前GPIO状态。
中断触发方式：按键有抖动，下降沿触发可能一次按下触发多次中断。我一般加一个10ms的去抖定时器，或者用IRQF_TRIGGER_FALLING | IRQF_TRIGGER_RISING双边沿触发，然后在软件里判断。
设备树编译：改完设备树记得编译成dtb，然后更新到板子上。我经常改了dts忘了编译，折腾半天发现还是旧配置。
GPIO编号混淆：内核里GPIO编号是全局的，全志T113的PA0可能是0号，PB0可能是32号。用gpiod_get按名字获取最安全，别自己算编号。

4.6 调试技巧

调试GPIO驱动，我常用的几个方法：

查看GPIO状态：cat /sys/kernel/debug/gpio，能看到所有GPIO的申请者和方向。
手动操作GPIO：如果驱动还没写好，可以用echo 32 > /sys/class/gpio/export先手动测试硬件是否正常。
测量波形：示波器或逻辑分析仪直接量引脚，看电平变化。我遇到过设备树配对了，但硬件虚焊的情况，示波器一量就发现了。
打印中断次数：在中断处理函数里加一个计数器，cat /proc/interrupts看中断有没有触发。

小技巧：调试按键中断时，我习惯先写一个简单的字符设备驱动，把中断次数暴露给用户空间。这样不用每次改代码重新编译，直接cat /dev/mykey就能看到按键次数。

好了，GPIO子系统就讲到这里。从框架到设备树，从LED到按键中断，这些代码你都可以直接拿到全志T113上跑。记住，驱动开发的核心是“配好设备树，调好API”，剩下的就是耐心调试了。