3. GPIO子系统介绍：Linux GPIO子系统架构、gpiolib库、GPIO编号与控制器、设备树中的GPIO描述

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）是嵌入式系统中最基础、最常用的外设接口之一。在Linux内核中，GPIO子系统提供了一套统一的框架，用于管理和操作SoC或外部GPIO扩展芯片的引脚。理解GPIO子系统的架构、核心库、编号机制以及设备树描述，是编写高质量GPIO驱动的基础。

3.1 Linux GPIO子系统整体架构

Linux GPIO子系统采用分层设计，从上到下依次为：GPIO消费者（Consumer）、GPIO核心层（gpiolib）、GPIO控制器驱动（Provider）。这种分层架构使得驱动开发者无需关心底层硬件细节，只需通过标准API即可操作GPIO。

3.2 gpiolib库：核心功能与API

gpiolib是GPIO子系统的核心实现，位于内核源码的drivers/gpio/gpiolib.c中。它提供了以下关键功能：

• GPIO编号管理： 维护全局的GPIO编号空间，支持动态或静态分配。
• 消费者API： 提供gpiod_get()、gpiod_direction_output()、gpiod_set_value()等标准接口。
• 中断支持： 将GPIO中断映射到内核中断系统，支持边沿触发和电平触发。
• sysfs接口： 通过/sys/class/gpio/暴露给用户空间（旧接口，新设备树推荐使用libgpiod）。
• ACPI/设备树支持： 解析设备树或ACPI表，自动映射GPIO资源。

下表对比了新旧两套API的关键差异：

3.3 GPIO编号与控制器

在Linux内核中，每个GPIO引脚都有一个全局唯一的GPIO编号。这个编号是系统级的，由内核在启动时根据注册的GPIO控制器动态分配。每个GPIO控制器对应一个struct gpio_chip结构体实例。

3.3.1 GPIO编号分配机制

GPIO编号的分配遵循以下规则：

• 每个gpio_chip在注册时，内核会为其分配一段连续的编号范围。
• 编号从0开始，依次递增，但不同控制器的编号范围可能不连续。
• 通过/sys/kernel/debug/gpio可以查看当前系统的GPIO编号映射。

3.3.2 gpio_chip结构体

每个GPIO控制器驱动必须实现并注册一个gpio_chip结构体，该结构体定义了控制器的属性和操作函数：

struct gpio_chip {
    const char              *label;
    struct device           *parent;
    struct module           *owner;

    int                     base;           // 起始编号，-1表示动态分配
    int                     ngpio;          // 本控制器管理的GPIO数量

    // 核心回调函数
    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);

    // 中断相关
    int (*to_irq)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);

    // 其他可选回调
    int (*request)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    void (*free)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
};

3.4 设备树中的GPIO描述

设备树（Device Tree）是描述硬件拓扑的标准化方式，在ARM/ARM64等嵌入式平台中广泛使用。GPIO子系统的设备树描述主要涉及两个方面：GPIO控制器节点和GPIO消费节点。

3.4.1 GPIO控制器节点

GPIO控制器节点定义了SoC或外部芯片的GPIO控制器属性，包括引脚数量、编号基址、中断控制器关联等。以下是一个典型的GPIO控制器节点示例：

// SoC内置GPIO控制器
gpio0: gpio@ff710000 {
    compatible = "vendor,soc-gpio";
    reg = <0xff710000 0x1000>;
    gpio-controller;                    // 标记为GPIO控制器
    #gpio-cells = <2>;                 // 每个GPIO描述需要2个cell
    interrupt-controller;               // 同时也是中断控制器
    #interrupt-cells = <2>;            // 中断描述需要2个cell
    ngpios = <32>;                     // 本控制器有32个引脚
};

关键属性说明：

3.4.2 GPIO消费节点

外设驱动通过消费节点中的gpios或xxx-gpios属性来引用GPIO引脚。以下是一个按键设备使用GPIO中断的典型描述：

// 按键设备节点，使用GPIO中断
key-interrupt {
    compatible = "gpio-keys";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&key_pins>;

    button@0 {
        label = "KEY_POWER";
        linux,code = <KEY_POWER>;
        gpios = <&gpio0 15 GPIO_ACTIVE_LOW>;   // GPIO0控制器，引脚15，低电平有效
        interrupts-extended = <&gpio0 15 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>; // 下降沿触发中断
        wakeup-source;                          // 支持唤醒系统
    };
};

3.4.3 在驱动中解析设备树GPIO

内核驱动通过gpiod_get()系列函数从设备树中获取GPIO描述符。以下是一个按键中断驱动的设备树解析示例：

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

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

static irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    struct my_device *dev = dev_id;
    int val = gpiod_get_value(dev->key_gpio);
    pr_info("Key interrupt! GPIO value: %d\n", val);
    return IRQ_HANDLED;
}

static int my_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct device *dev = &pdev->dev;
    struct my_device *mydev;
    int ret;

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

    // 从设备树获取名为"gpios"的GPIO描述符
    mydev->key_gpio = devm_gpiod_get(dev, NULL, GPIOD_IN);
    if (IS_ERR(mydev->key_gpio)) {
        dev_err(dev, "Failed to get GPIO\n");
        return PTR_ERR(mydev->key_gpio);
    }

    // 将GPIO转换为中断号
    mydev->irq = gpiod_to_irq(mydev->key_gpio);
    if (mydev->irq < 0) {
        dev_err(dev, "Failed to get IRQ from GPIO\n");
        return mydev->irq;
    }

    // 注册中断处理函数
    ret = devm_request_irq(dev, mydev->irq, key_irq_handler,
                           IRQF_TRIGGER_FALLING, "key_irq", mydev);
    if (ret) {
        dev_err(dev, "Failed to request IRQ\n");
        return ret;
    }

    platform_set_drvdata(pdev, mydev);
    return 0;
}

3.5 本章小结

本章深入介绍了Linux GPIO子系统的核心知识：

• 分层架构： 消费者层、核心层（gpiolib）、控制器驱动层、硬件层，层间通过标准接口交互。
• gpiolib库： 提供统一的消费者API和控制器注册机制，推荐使用基于描述符的新API。
• GPIO编号与控制器： 每个gpio_chip管理一段连续编号，全局编号空间由内核动态维护。
• 设备树描述： 通过gpio-controller和#gpio-cells定义控制器，消费节点使用gpios属性引用引脚。