GPIO 与 Pinctrl 子系统

提示

本章节将深入解析 Linux 内核中用于管理引脚的两大核心子系统：Pinctrl（引脚控制） 和 GPIO（通用输入输出）。理解它们的区别与协作关系，是进行嵌入式硬件开发的基础。

1. 核心概念解析

在嵌入式 Linux 系统中，对引脚的控制分为两个层面：

Pinctrl 子系统 (Pin Control Subsystem)
- 职责：负责引脚的“复用”和“电气特性”配置。
- 复用 (Muxing)：决定一个物理引脚是作为普通 GPIO，还是复用为 UART、I2C、PWM 等功能。
- 电气特性 (Conf)：设置引脚的上拉/下拉、驱动能力、开漏/推挽等。
- 比喻：Pinctrl 就像是“修路队”，负责把路铺好（设置电气属性），并决定这条路通向哪里（复用功能）。
GPIO 子系统 (General Purpose Input/Output Subsystem)
- 职责：当引脚被复用为 "GPIO" 功能后，负责控制引脚的电平（高/低）和读取输入状态。
- 比喻：GPIO 子系统就像是“交通信号灯控制器”，在路铺好（Pinctrl 配置好）之后，负责控制红绿灯的亮灭（高低电平）。

关键点

先 Pinctrl，后 GPIO。在操作 GPIO 之前，必须确保该引脚在 Pinctrl 中被正确配置为 GPIO 模式，而不是其他功能（如 I2C）。

2. Pinctrl 子系统配置

在设备树（DTS）中，Pinctrl 配置通常作为独立的节点存在，并被其他设备节点引用。

2.1 Pinctrl 节点语法 (Rockchip 平台)

以瑞芯微（Rockchip）平台为例，Pinctrl 节点的定义通常位于 arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3576-pinctrl.dtsi 中。

&pinctrl {
    /* 定义一组引脚配置 */
    ws2812 {
        ws2812_data_pin: ws2812-data-pin {
            /* 格式: <bank pin func pull_strength> */
            rockchip,pins = <4 23 0 &pcfg_pull_none>;
        };
    };
};

bank: GPIO 组号，如 4 代表 GPIO4。
pin: 组内编号，如 23 对应 PC7 (8*2 + 7 = 23)。
func: 复用功能，0 通常代表 GPIO，其他值代表 UART, SPI 等特定功能。
pull_strength: 电气属性，如 &pcfg_pull_none (无上下拉), &pcfg_pull_up (上拉)。

2.2 在设备节点中引用 Pinctrl

当我们在设备树中定义一个设备（如 LED）时，需要告诉内核该设备使用了哪些引脚配置。

ws2812: ws2812 {
    compatible = "dshanpi-a1,ws2812";
    
    /* 引用名为 "default" 的状态，对应 pinctrl-0 指定的配置 */
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&ws2812_data_pin>;
    
    /* 其他属性 */
    status = "okay";
};

pinctrl-names: 定义状态名称列表，最常用的是 "default"。
pinctrl-0: 对应 "default" 状态下的引脚配置列表。内核在加载驱动时，会自动将引脚配置为该状态。

3. GPIO 子系统操作

当引脚被配置为 GPIO 模式后，我们可以在用户空间或内核空间对其进行控制。

3.1 用户空间操作：Sysfs (旧接口)

Linux 早期提供了基于 sysfs 的 GPIO 接口 /sys/class/gpio，虽然已被标记为过时（Deprecated），但在调试中依然常用。

计算 GPIO 编号： Rockchip 平台公式：GPIO_ID = bank * 32 + group * 8 + pin 例如 GPIO4_C7:
- bank = 4
- group = 2 (A=0, B=1, C=2, D=3)
- pin = 7
- ID = 4 * 32 + 2 * 8 + 7 = 128 + 16 + 7 = 151
导出引脚：
```
echo 151 > /sys/class/gpio/export
```

设置方向：

echo out > /sys/class/gpio/gpio151/direction  # 输出模式
# 或
echo in > /sys/class/gpio/gpio151/direction   # 输入模式

控制电平：

echo 1 > /sys/class/gpio/gpio151/value  # 输出高电平
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio151/value  # 输出低电平

查看状态：
```
cat /sys/class/gpio/gpio151/value
```

3.2 用户空间操作：libgpiod (新接口)

libgpiod 是现代 Linux 推荐的 GPIO 用户空间工具库，它直接操作字符设备 /dev/gpiochipX，效率更高且支持并发安全。

3.2.1 常用命令

gpiodetect: 列出系统中的 GPIO 控制器。
```
gpiodetect
```
gpioinfo: 查看 GPIO 线路的详细信息（被谁占用、当前状态）。
```
gpioinfo
```

gpioset: 设置 GPIO 电平。

# 设置 GPIO4_C7 (假设对应 chip4 的 line 23) 为高电平
gpioset gpiochip4 23=1

gpioget: 读取 GPIO 电平。
```
gpioget gpiochip4 23
```

3.2.2 C 语言编程示例

#include <gpiod.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    struct gpiod_chip *chip;
    struct gpiod_line *line;

    /* 打开 GPIO 控制器 4 */
    chip = gpiod_chip_open_by_number(4);
    if (!chip) {
        perror("Open chip failed");
        return -1;
    }

    /* 获取第 23 号线路 (GPIO4_C7) */
    line = gpiod_chip_get_line(chip, 23);
    if (!line) {
        perror("Get line failed");
        gpiod_chip_close(chip);
        return -1;
    }

    /* 请求输出模式，初始值为低电平 */
    if (gpiod_line_request_output(line, "example", 0) < 0) {
        perror("Request output failed");
        gpiod_chip_close(chip);
        return -1;
    }

    /* 闪烁 LED */
    while (1) {
        gpiod_line_set_value(line, 1); // 高电平
        sleep(1);
        gpiod_line_set_value(line, 0); // 低电平
        sleep(1);
    }

    gpiod_line_release(line);
    gpiod_chip_close(chip);
    return 0;
}

3.3 内核空间操作 (驱动开发)

在编写内核驱动时，使用 GPIO Descriptor (gpiod) 接口是标准做法。

在设备树中定义 GPIO:

my_device {
    compatible = "my,device";
    enable-gpios = <&gpio4 23 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
};

在驱动代码中获取 GPIO:

struct gpio_desc *enable_gpio;

/* 在 probe 函数中 */
enable_gpio = devm_gpiod_get(&pdev->dev, "enable", GPIOD_OUT_LOW);
if (IS_ERR(enable_gpio)) {
    return PTR_ERR(enable_gpio);
}

注意：设备树属性名为 enable-gpios，代码中获取时只需传 "enable"，内核会自动拼接后缀。

控制 GPIO:

gpiod_set_value(enable_gpio, 1); // 设置有效电平 (Active)

逻辑电平与物理电平

内核的 gpiod_set_value 设置的是逻辑有效电平。

如果设备树中定义为 GPIO_ACTIVE_HIGH，设置 1 则输出高电平。
如果设备树中定义为 GPIO_ACTIVE_LOW，设置 1 则输出低电平。这使得驱动代码通用，无需关心硬件具体的极性连接。

4. 总结

特性	Pinctrl 子系统	GPIO 子系统
主要职责	引脚复用、电气属性配置	输入/输出电平控制、中断处理
操作对象	Pad (焊盘)	Logic Line (逻辑线路)
生效时机	驱动 Probe 前（通常由内核核心处理）	驱动运行过程中
用户空间工具	较少 (通常静态配置)	`sysfs`, `libgpiod`

理解这两者的分工，能帮助你迅速定位硬件控制问题：如果是引脚没反应，先查 Pinctrl 有没有配对；如果是电平不对，再查 GPIO 控制逻辑。

1. 核心概念解析​

2. Pinctrl 子系统配置​

2.1 Pinctrl 节点语法 (Rockchip 平台)​

2.2 在设备节点中引用 Pinctrl​

3. GPIO 子系统操作​

3.1 用户空间操作：Sysfs (旧接口)​

3.2 用户空间操作：libgpiod (新接口)​

3.2.1 常用命令​

3.2.2 C 语言编程示例​

3.3 内核空间操作 (驱动开发)​

4. 总结​