第4章 GPIO驱动基础

GPIO，说白了就是芯片上那些可以编程控制的引脚。你可以让它输出高电平或低电平，也可以读取它当前的电平状态。在嵌入式系统里，GPIO 是最基础也最常用的外设接口——控制 LED、读取按键、模拟时序，哪样都离不开它。

这一章，我带你从 Linux GPIO 子系统的整体框架入手，然后深入到寄存器层面，最后再聊聊怎么在用户空间通过 sysfs 接口直接操作 GPIO。嗯，这些都是我这些年做驱动开发天天打交道的玩意儿。

4.1 GPIO 子系统框架

Linux 内核的 GPIO 子系统，我习惯叫它 gpiolib。它把不同芯片的 GPIO 控制器抽象成统一的接口。你写驱动的时候，不用关心底层寄存器具体怎么配，调用 gpiolib 提供的 API 就行。

框架分三层：

用户空间接口层：sysfs 或 libgpiod，让你在应用层就能操作 GPIO。
内核 gpiolib 核心：管理 gpio_chip 的注册、引脚分配、方向控制、读写操作。
硬件驱动层：每个 GPIO 控制器（比如 HiSilicon 的 GPIO 模块）实现自己的 .get、.set、.direction_input 等回调函数。

我记得刚接触 gpiolib 时，总觉得它很绕。后来发现，你只要理解两个核心结构体就行：gpio_chip 和 gpio_desc。前者代表一个控制器，后者代表一个引脚。

核心结构体 gpio_chip（简化版）：

struct gpio_chip {
    const char *label;
    int base;              // 引脚编号起始
    int ngpio;             // 本控制器管理的引脚数
    int (*direction_input)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    int (*direction_output)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
    int (*get)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    void (*set)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
    // ... 还有中断、请求、释放等回调
};

你写一个 GPIO 控制器驱动，主要就是填充这个结构体，然后调用 gpiochip_add_data() 注册到内核。剩下的，gpiolib 帮你搞定。

4.2 GPIO 控制寄存器

说完了框架，咱们得落地到硬件。Atlas 200 DK 用的海思芯片，GPIO 模块的寄存器布局其实很典型。每个 GPIO 引脚通常对应这么几类寄存器：

寄存器类型	作用	位宽
GPIO_SWPORTA_DR	数据输出寄存器（写引脚电平）	32位，每bit对应一个引脚
GPIO_SWPORTA_DDR	方向寄存器（0=输入，1=输出）	32位，每bit对应一个引脚
GPIO_EXT_PORTA	数据输入寄存器（读引脚电平）	32位，只读
GPIO_INTEN	中断使能寄存器	32位
GPIO_INTTYPE_LEVEL	中断触发类型（电平/边沿）	32位
GPIO_INT_POLARITY	中断极性（高/低电平，上升/下降沿）	32位

举个例子，你想让 GPIO12 输出高电平。先设置方向寄存器对应位为 1（输出），再写数据寄存器对应位为 1。就这么简单。

我的经验： 调试 GPIO 时，我最喜欢用示波器或者逻辑分析仪直接量引脚。有时候代码看起来没问题，但寄存器没写进去，或者被别的驱动复用了，一量就知道。别光靠猜。

4.3 在用户空间操作 GPIO（sysfs 接口）

对于快速原型验证，我强烈推荐先用 sysfs 接口。它不需要写内核模块，直接在 shell 里 echo 和 cat 就能控制 GPIO。虽然现在内核社区更推荐 libgpiod，但 sysfs 在调试阶段依然很顺手。

基本步骤就四步：

导出引脚：echo 12 > /sys/class/gpio/export
设置方向：echo out > /sys/class/gpio/gpio12/direction
写值：echo 1 > /sys/class/gpio/gpio12/value
读值：cat /sys/class/gpio/gpio12/value

用完之后记得 echo 12 > /sys/class/gpio/unexport 释放引脚。

注意： 我曾经在项目里犯过一个低级错误——导出引脚后忘了设置方向，直接写 value。结果写不进去，查了半天才发现方向默认是输入。所以，顺序别搞反。

下面是一个完整的 shell 示例，控制 GPIO12 闪烁 5 次：

#!/bin/sh
GPIO=12
# 导出
echo $GPIO > /sys/class/gpio/export
# 设为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio$GPIO/direction

for i in 1 2 3 4 5; do
    echo 1 > /sys/class/gpio/gpio$GPIO/value
    sleep 0.5
    echo 0 > /sys/class/gpio/gpio$GPIO/value
    sleep 0.5
done

# 清理
echo $GPIO > /sys/class/gpio/unexport

你想想看，就这么几行，就能让一个 LED 闪起来。对于硬件 bring-up 阶段，这种快速验证方式特别管用。

sysfs 接口的路径结构：

/sys/class/gpio/
├── export          # 写引脚号导出
├── unexport        # 写引脚号释放
├── gpiochip0/      # 第一个GPIO控制器
│   ├── base        # 起始编号
│   ├── ngpio       # 引脚数量
│   └── label       # 控制器名称
├── gpiochip64/     # 第二个控制器
└── gpio12/         # 导出后出现的目录
    ├── direction   # in / out / high / low
    ├── value       # 0 或 1
    ├── edge        # none / rising / falling / both
    └── active_low  # 0 或 1

我个人习惯在调试时先 cat 一下 /sys/kernel/debug/gpio，看看当前所有 GPIO 的状态。这个 debugfs 接口会列出每个引脚的申请者、方向、当前值，排查冲突特别好用。

嗯，这一章的内容差不多就这些。从框架到寄存器，再到用户空间操作，GPIO 驱动的基础脉络你应该清楚了。下一章我们会深入 GPIO 中断，那才是真正体现驱动工程师水平的地方。