3、GPIO驱动实战：从框架到LED点亮

GPIO驱动，说白了就是嵌入式Linux里最基础也最常用的外设操作。你想想看，一个嵌入式板子上，控制LED、读取按键、驱动蜂鸣器，哪个离得开GPIO？我刚开始做驱动时，总觉得GPIO太简单，结果在项目里踩了不少坑。嗯，这一章咱们就把GPIO子系统彻底讲透。

3.1 GPIO子系统框架：三层结构

Linux内核的GPIO子系统，其实就三层。我习惯把它想象成一个「三层蛋糕」：

• 最底层：硬件相关层，直接操作GPIO寄存器
• 中间层：GPIO核心层，提供统一的接口管理
• 最上层：驱动使用层，也就是我们写驱动时调用的API

为什么会这样设计？说白了就是为了解耦。你换了一个芯片，只需要改底层，上层代码完全不用动。我在项目中遇到过，从i.MX6换到i.MX8，LED驱动代码一行没改，只改了设备树。

下面这张图，是我画的三层架构关系，你看一眼就明白了：

3.2 设备树中的GPIO描述

设备树里描述GPIO，其实就几个关键属性。我刚开始学的时候，总搞混gpios和gpio的区别。后来踩了一次坑才记住——gpios是复数，表示可以有多个GPIO；gpio是单数，只表示一个。

来看一个典型的LED节点描述：

/ {
    leds {
        compatible = "gpio-leds";
        
        led0: led-red {
            label = "red-led";
            gpios = &gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW;
            default-state = "off";
        };
        
        led1: led-green {
            label = "green-led";
            gpios = &gpio1 4 GPIO_ACTIVE_HIGH;
            default-state = "on";
        };
    };
};

这里有几个关键点，我一个个说：

• compatible：匹配驱动，内核里已经有gpio-leds驱动，可以直接用
• gpios：三个参数——GPIO控制器、引脚号、有效电平标志
• GPIO_ACTIVE_LOW：低电平有效，意味着写0时灯亮，写1时灯灭
• GPIO_ACTIVE_HIGH：高电平有效，写1亮，写0灭

3.3 GPIO操作核心API

写GPIO驱动，最常用的就这几个API。我列个表格，方便你对照：

API函数	功能说明	返回值
gpio_request(unsigned gpio, const char *label)	申请GPIO资源，防止被其他模块占用	0成功，负值失败
gpio_direction_output(unsigned gpio, int value)	设置GPIO为输出方向，并设置初始电平	0成功，负值失败
gpio_direction_input(unsigned gpio)	设置GPIO为输入方向	0成功，负值失败
gpio_set_value(unsigned gpio, int value)	设置GPIO输出电平（0或1）	无返回值
gpio_get_value(unsigned gpio)	读取GPIO当前电平	0或1
gpio_free(unsigned gpio)	释放GPIO资源	无返回值

3.4 实现LED驱动：完整代码

好了，理论说完了，咱们直接上代码。这是一个完整的LED驱动，我加了详细的注释：

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

#define LED_GPIO 3  // 假设使用GPIO1_3

static int __init led_driver_init(void)
{
    int ret;
    
    // 第一步：申请GPIO资源
    ret = gpio_request(LED_GPIO, "my-led");
    if (ret) {
        pr_err("Failed to request GPIO %d\n", LED_GPIO);
        return ret;
    }
    
    // 第二步：设置输出方向，初始为低电平
    ret = gpio_direction_output(LED_GPIO, 0);
    if (ret) {
        pr_err("Failed to set GPIO direction\n");
        gpio_free(LED_GPIO);
        return ret;
    }
    
    pr_info("LED driver initialized successfully\n");
    
    // 测试：闪烁3次
    int i;
    for (i = 0; i < 3; i++) {
        gpio_set_value(LED_GPIO, 1);  // 亮
        mdelay(500);
        gpio_set_value(LED_GPIO, 0);  // 灭
        mdelay(500);
    }
    
    return 0;
}

static void __exit led_driver_exit(void)
{
    gpio_set_value(LED_GPIO, 0);  // 关闭LED
    gpio_free(LED_GPIO);          // 释放GPIO
    pr_info("LED driver exited\n");
}

module_init(led_driver_init);
module_exit(led_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Simple LED GPIO Driver");

3.5 驱动加载与测试

代码写完了，怎么验证？我一般按这个步骤来：

1. 编译驱动：把代码放到内核源码的drivers目录下，或者作为外部模块编译
2. 加载模块：insmod led_driver.ko
3. 查看日志：dmesg | tail，看有没有错误信息
4. 检查GPIO状态：cat /sys/kernel/debug/gpio，查看引脚是否被正确申请
5. 卸载模块：rmmod led_driver，确认LED熄灭

3.6 常见故障与定位

做GPIO驱动，难免遇到问题。我总结了几种常见情况：

现象	可能原因	排查方法
gpio_request返回-EBUSY	GPIO已被其他驱动占用	检查/sys/kernel/debug/gpio，看谁在用
LED不亮	GPIO号错误或电平逻辑反了	用gpio_set_value手动切换，万用表测电压
LED亮度异常	引脚复用配置错误	检查设备树pinctrl设置
卸载后LED仍亮	没有在exit函数里关闭	检查gpio_set_value和gpio_free调用顺序

我曾经遇到过一个特别坑的问题：LED在加载驱动时正常闪烁，但卸载后再加载就不亮了。查了半天，发现是gpio_free之后，引脚被复用成了其他功能。解决办法是在设备树里加上pinctrl-0属性，强制指定引脚功能。