Linux驱动开发实战（十一）：GPIO子系统深度解析与RGB LED驱动实践

Linux驱动开发实战（十一）：GPIO子系统深度解析与RGB LED驱动实践

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前言

本文讲：

1. 如何通过设备树(Device Tree)优雅地描述硬件资源
2. 平台设备驱动(Platform Driver)的注册与匹配机制
3. GPIO资源的申请、配置与原子化操作

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一、GPIO控制器设备树剖析

1.1 核心节点定义解析

以gpio1节点为例：
dts:arch/arm/boot/dts/imx6ull-mmc-npi.dtsi

gpio1: gpio@209c000 {
    compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio";
    reg = <0x209c000 0x4000>;
    interrupts = <GIC_SPI 66 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
             <GIC_SPI 67 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    clocks = <&clks IMX6UL_CLK_GPIO1>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;
    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <2>;
    gpio-ranges = <&iomuxc 0 23 10>, 
              <&iomuxc 10 17 6>,
              <&iomuxc 16 33 16>;
};

关键属性解析：

• reg：0x209c000为GPIO1的物理基地址，0x4000表示地址范围
• gpio-ranges：实现GPIO编号到物理引脚的映射，格式为：
  <&pinctrl 起始GPIO 起始PIN 数量>
  第一个映射：<&iomuxc 0 23 10>表示：
• GPIO1_IO0 对应物理引脚IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00（基地址+0x14）

1.2 GPIO编号计算(当拓展看看即可)

系统GPIO编号计算公式：

全局编号 = bank编号 * 32 + pin号

i.MX6ULL各GPIO控制器对应bank：

• GPIO1：0*32 = 0
• GPIO2：1*32 = 32
• GPIO5：4*32 = 128（注意中间有保留bank）
  示例：GPIO4_IO19的全局编号：

(4-1)*32 + 19 = 3*32 +19 = 115

二、RGB LED设备节点实现

2.1 设备树配置实例

rgb_led {
    #address-cells = <1>;  // 子节点地址用1个u32表示
    #size-cells = <1>;     // 子节点大小用1个u32表示
    compatible = "fire,rgb_led"; // 驱动匹配标识符
    pinctrl-names = "default";   // 引脚控制状态名称
    pinctrl-0 = <&pinctrl_rgb_led>; // 关联的引脚配置组

    // 红色LED使用两个GPIO（阵列格式）
    rgb_led_red = <&gpio1 4 GPIO_ACTIVE_LOW   // GPIO1_IO04
                   &gpio1 10 GPIO_ACTIVE_LOW>; // GPIO1_IO10
                   
    // 绿色LED配置（单GPIO）
    rgb_led_green = <&gpio4 20 GPIO_ACTIVE_LOW>; // GPIO4_IO20
    
    // 蓝色LED配置（单GPIO）
    rgb_led_blue = <&gpio4 19 GPIO_ACTIVE_LOW>;  // GPIO4_IO19
    
    status = "okay";  // 启用设备
};
};

2.2 关键解析点：

1. 引脚控制组：

pinctrl-0 = <&pinctrl_rgb_led>;

需要配套的引脚定义（通常在iomuxc节点中）前文有讲：

pinctrl_rgb_led: rgbledgrp {
    fsl,pins = <
        MX6ULL_PAD_GPIO1_IO04__GPIO1_IO04 0x10B0
        MX6ULL_PAD_GPIO1_IO10__GPIO1_IO10 0x10B0
        MX6ULL_PAD_CSI_HSYNC__GPIO4_IO20  0x10B0
        MX6ULL_PAD_CSI_VSYNC__GPIO4_IO19  0x10B0
    >;
};

2. GPIO编号计算：

• &gpio1 4 = (1-1)*32 + 4 = 4
• &gpio4 20 = (4-1)*32 +20 = 116

// &gpioX Y → 全局编号 = (X-1)*32 + Y

rgb_led_red = <&gpio1 4 GPIO_ACTIVE_LOW  // 全局编号 = (1-1)*32 +4 = 4
              &gpio1 10 GPIO_ACTIVE_LOW>; // 全局编号 = (1-1)*32 +10 = 10

rgb_led_green = <&gpio4 20 GPIO_ACTIVE_LOW>; // (4-1)*32 +20 = 116
rgb_led_blue = <&gpio4 19 GPIO_ACTIVE_LOW>;  // (4-1)*32 +19 = 115

将物理引脚（如GPIO1_IO04）转换为Linux GPIO子系统使用的统一编号

3. 电平极性：

• GPIO_ACTIVE_LOW 表示低电平点亮LED
• 在驱动中需要取反电平设置：

gpio_set_value(gpio_num, !status); 

三、驱动开发

3.1 关键API深度解析

1. of_get_named_gpio()：

• 自动计算全局GPIO编号
• 支持多索引值（如rgb_led_red的两个GPIO）

2. gpio_direction_output()：

static inline int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value)
{
    return gpio_direction_output_raw(gpio, value);
}

• 内部会操作GPIO_GDIR寄存器（方向寄存器）
• 对于i.MX6ULL，设置方向寄存器的对应bit为1表示输出

3.2 代码解析

// ... 头文件包含部分 ...
/*------------------GPIO获取关键部分----------------------*/
int rgb_led_red;
int rgb_led_green;
int rgb_led_blue;

static int led_probe(struct platform_device *pdv)
{
    // 1. 查找设备树节点（核心操作）
    rgb_led_device_node = of_find_node_by_path("/rgb_led");
    if (!rgb_led_device_node) {
        printk(KERN_ERR "Failed to find rgb_led node\n");
        return -ENODEV;
    }

    // 2. 获取GPIO编号（设备树解析核心）
    rgb_led_red = of_get_named_gpio(rgb_led_device_node, "rgb_led_red", 0);
    if (gpio_is_valid(rgb_led_red)) {
        printk(KERN_INFO "Red GPIO: %d\n", rgb_led_red);
    } else {
        printk(KERN_ERR "Invalid red GPIO\n");
        return -EINVAL;
    }

    // 3. GPIO请求与配置（硬件操作）
    ret = gpio_request(rgb_led_red, "led-red");
    if (ret) {
        printk(KERN_ERR "Red GPIO request failed: %d\n", ret);
        return ret;
    }
    gpio_direction_output(rgb_led_red, 1); // 初始化为高电平

    // ... 绿色和蓝色GPIO的相同处理流程 ...
}

3.3 关键代码解析：

1. 设备树节点查找

of_find_node_by_path("/rgb_led")

通过绝对路径查找设备树节点
对应设备树中的：

rgb_led {
    compatible = "fire,rgb_led";
    // ...
};

2. GPIO编号获取：

of_get_named_gpio(np, "rgb_led_red", 0)

• 解析设备树属性rgb_led_red的第一个GPIO
• 对应设备树中的：

rgb_led_red = <&gpio1 4 GPIO_ACTIVE_LOW>;

• 返回值是全局GPIO编号，计算方式：

global_gpio = (gpio_bank-1)*32 + pin
例如：gpio1_4 → (1-1)*32 +4 =4

3. GPIO硬件操作：

gpio_request(rgb_led_red, "led-red");
gpio_direction_output(rgb_led_red, 1);

• gpio_request：标记GPIO占用，防止冲突
• gpio_direction_output：配置为输出模式，初始电平为高
  
• 绿色：驱动注册入口
• 蓝色：核心探测函数
• 黄色：设备树操作
• 紫色：GPIO硬件操作
  

四、实验

更改根节点的信息

编译设备树

替换原来的设备树

加载驱动

点灯成功！！！

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总结

1. 设备树配置

• 使用gpio-leds节点声明LED硬件参数
• 通过of_find_node_by_path()精准定位设备节点
• 利用of_get_named_gpio()解析GPIO编号

2. 平台驱动架构

• 实现platform_driver结构体注册
• 构建led_probe()初始化流程
• 完善led_remove()资源释放机制