GPIO 子系统基础：从硬件原理到 Linux 操作接口

GPIO 是嵌入式开发里最基础、也最绕不开的外设。说白了，它就是芯片上那些可以编程控制的引脚——你可以让它们输出高电平点个灯，也可以读它们的状态判断按键有没有按下。我刚开始做驱动时，总觉得 GPIO 太简单，不就是读写寄存器吗？后来踩了几个坑才明白，Linux 的 GPIO 子系统把这件事包装得挺讲究，理解透了，后面做 PWM、I2C 模拟、中断触发都会顺手很多。

GPIO 硬件原理：引脚内部长什么样？

先看硬件侧。一个 GPIO 引脚内部，通常包含这几个关键模块：

• 输出驱动器：推挽或开漏结构，决定引脚能输出什么电平。
• 输入缓冲器：施密特触发器或简单比较器，把引脚电压转成数字 0/1。
• 上拉/下拉电阻：内部可配置的弱上拉或弱下拉，防止引脚浮空。
• 复用选择器：决定这个引脚是 GPIO 还是其他功能（比如 UART TX）。
• 中断控制器：检测上升沿、下降沿或电平变化，产生中断信号。

全志 T113 的 GPIO 控制器叫 PIO（Port I/O），它管理着 9 组 Bank（PA~PI），每组最多 32 个引脚。每个引脚有 4 个配置寄存器：

Linux GPIO 子系统框架：三层架构

Linux 的 GPIO 子系统分三层，每层各司其职。我画了张图帮你理清关系：

这张图从左到右看，调用方向是从用户空间往下走到底层硬件。反过来，中断信号从硬件往上传递。我重点说下中间两层：

• gpiolib（核心层）：提供 gpiod_get()、gpiod_set_value() 等统一 API。它不关心底层是哪个芯片，只维护一个全局 GPIO 描述符表。
• pinctrl + gpio_chip（硬件抽象层）：每个 GPIO 控制器注册一个 gpio_chip 结构体，里面包含 .request、.free、.direction_input、.direction_output、.get、.set 等回调函数。pinctrl 负责引脚复用和电气属性配置。

设备树 GPIO 配置：怎么写才规范？

设备树是描述硬件拓扑的语言。GPIO 相关的节点，通常包含这几部分：

/* 全志 T113 设备树 GPIO 配置示例 */
&pio {
    /* 引脚别名定义 */
    led_pin: led_pin@0 {
        pins = "PB2";
        function = "gpio_out";
        bias-pull-up;
        drive-strength = <10>;
    };

    key_pin: key_pin@0 {
        pins = "PH5";
        function = "gpio_in";
        bias-pull-up;
    };
};

/* 使用 GPIO 的外设节点 */
led {
    compatible = "gpio-leds";
    status = "okay";
    pinctrl-0 = <&led_pin>;
    pinctrl-names = "default";

    power_led {
        gpios = <&pio 2 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;  /* PB2, 高电平点亮 */
        label = "power:blue";
        default-state = "on";
    };
};

button {
    compatible = "gpio-keys";
    status = "okay";
    pinctrl-0 = <&key_pin>;
    pinctrl-names = "default";

    power_key {
        gpios = <&pio 7 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;   /* PH5, 低电平按下 */
        label = "power";
        linux,code = <KEY_POWER>;
    };
};

这里有几个容易搞混的地方，我单独列出来：

GPIO 操作接口：sysfs vs chardev

Linux 提供了两种用户空间操作 GPIO 的方式。早期用 sysfs，现在推荐 chardev。我分别讲下。

sysfs 接口（传统方式）

sysfs 把每个 GPIO 暴露为一个文件。操作步骤很简单：

# 导出 GPIO
echo 66 > /sys/class/gpio/export

# 配置方向
echo out > /sys/class/gpio/gpio66/direction

# 写值
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio66/value

# 读值
cat /sys/class/gpio/gpio66/value

# 用完释放
echo 66 > /sys/class/gpio/unexport

但 sysfs 有个问题：它用 GPIO 编号（全局整数）来标识引脚。不同内核版本、不同板子，编号可能不一样。而且它不支持中断、不支持批量操作。所以内核社区已经标记它为 deprecated。

chardev 接口（推荐方式）

chardev 接口通过 /dev/gpiochipN 设备文件操作 GPIO。它使用 libgpiod 库，API 更清晰：

# 查看 GPIO 芯片信息
gpioinfo

# 设置输出并写值
gpioset gpiochip0 2=1

# 读取输入
gpioget gpiochip0 5

# 监控中断事件
gpiomon --rising-edge gpiochip0 5

在 C 代码里，使用 libgpiod 的流程是这样的：

#include <gpiod.h>

struct gpiod_chip *chip;
struct gpiod_line *line;
int ret;

/* 打开 GPIO 芯片 */
chip = gpiod_chip_open_by_name("gpiochip0");
if (!chip) {
    perror("gpiod_chip_open");
    return -1;
}

/* 获取引脚（PB2 = chip0, offset 2） */
line = gpiod_chip_get_line(chip, 2);
if (!line) {
    perror("gpiod_chip_get_line");
    gpiod_chip_close(chip);
    return -1;
}

/* 配置为输出，初始高电平 */
ret = gpiod_line_request_output(line, "my-led", 1);
if (ret < 0) {
    perror("gpiod_line_request_output");
    gpiod_chip_close(chip);
    return -1;
}

/* 写值 */
gpiod_line_set_value(line, 0);  /* 灭 */
sleep(1);
gpiod_line_set_value(line, 1);  /* 亮 */

/* 清理 */
gpiod_line_release(line);
gpiod_chip_close(chip);

调试与故障定位：三板斧

GPIO 出问题，通常就三种情况：电平不对、方向不对、复用冲突。我的调试流程是这样的：

1. 查设备树：dtc -I dtb -O dts -o dump.dts /sys/firmware/fdt，确认 pinctrl 和 gpios 属性正确。
2. 查内核日志：dmesg | grep gpio，看有没有 probe 失败或资源冲突。
3. 查寄存器：用 devmem 直接读 PIO 寄存器，确认 CFG 和 DAT 值。

举个例子，T113 上 PB2 的 CFG 寄存器地址是 0x02000000 + 2*0x24 + 0x00（Bank 偏移 + 引脚组偏移）。你可以这样读：

# 读 PB2 的 CFG 寄存器（假设 PB 是 Bank 2）
devmem 0x02000048 32

# 如果返回值是 0x00000001，说明 PB2 被配成了输出模式
# 如果返回值是 0x00000000，说明是输入模式

嗯，GPIO 子系统的基础就这些。从硬件寄存器到设备树配置，再到用户空间接口，这条链路你走通了，后面做任何外设驱动都会顺手很多。记住：先确认硬件电平，再查软件配置——这是调试的黄金法则。