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嵌入式Linux驱动——6 Pinctrl和GPIO子系统

news 来源：原创 2025/6/5 0:21:45

目录

1.Pinctrl

1.1 pin controller

1.2 client device

 1.3 补充说明

2.GPIO 子系统

2.1 利用 GPIO Controller 来指定使用哪个引脚：

2.2 怎么在设备节点引用某个引脚呢？

2.3 配置 GPIO

具体新接口和老接口的区别：

1. 新接口

2.老接口

引脚号怎么确定？

可以通过查看 sysfs 来确定 base number：

还可以基于 sysfs 操作引脚：

3.基于 GPIO 子系统的 LED 驱动程序

流程思路：

具体步骤（以led为例）：

1.在设备树中添加 Pinctrl 信息

1.1 在设备树 iomuxc_snvs 节点中添加 pin controller

1.2 在 led 设备节点添加 client device 信息

2.在 led 设备节点中添加 GPIO 信息：

3.GPIO Controller 不需要改动，厂商在.dtsi文件中已经设置好了

完整的 led 设备节点（包含 Pinctrl 和 GPIO 子系统信息）：

4.驱动的编写

配置一个 pin 引脚十分复杂，以配置 GPIO 为例：

  • 配置引脚复用功能（IOMUX）为 GPIO
  • 配置引脚参数（上拉、下拉...）
  • 配置 GPIO （方向、数据...）

难道每个引脚都通过一个一个配置寄存器吗？这不可能

因此需要使用 Pinctrl 子系统（用于配置引脚复用功能）

因为一般都是把引脚配置为 GPIO，因此这里把 GPIO 子系统也讲了（跟 Pinctrl 类似，用于配置 GPIO）

1.Pinctrl

Pinctrl 跟设备树是紧密相连的，一般涉及分为两个部分：

1.1 pin controller

一个软件上的概念，可实现 IOMUX 的功能作用：选择引脚复用功能、配置引脚(比如上下拉电阻等)

例如可以把 pin 配置复用为 GPIO 功能和引脚参数，但 GPIO 的配置（方向、数据...）得使用后面讲的 GPIO 子系统

它是设备树中的一个节点，其中有多个子节点，每个子节点声明了：

  • 该节点使用了哪些引脚
  • 把这些引脚复用为了什么功能
  • 把引脚参数配置为了多少


 

1.2 client device

“客户设备”，谁的客户？Pinctrl 系统的客户（理解为 pin controller 的客户更准确）

它是一个在设备树根目录下的设备节点，节点中各属性内容主要是：

  • 用 pinctrl-names 声明设备的状态（可以有多个）
  • 声明每个状态分别使用 pin controller 的哪个子节点来配置引脚（pinctrl-x  = < &pin conctrl >，x 代表第几个状态）


图示：

在图中，

当设备是 default 状态时，Pinctrl 子系统会自动配置好 pincontroller 中 state_0_node_a 节点的引脚和功能

当设备是 sleep 状态时，Pinctrl 子系统会自动配置好 pincontroller 中 state_1_node_a 节点的引脚和功能

 1.3 补充说明

pin controller 节点的格式没有统一的标准，但内容都是一样的：该子节点使用哪些引脚、复用成什么功能

示例：不同设备的 pin conctrller 和 client device 

 

2.GPIO 子系统

先通过 Pinctrl 把 pin 配置为 GPIO 功能，接着通过 GPIO 子系统配置 GPIO：引脚方向...等

一般也分为两部分 GPIO Controller 和 device client（跟Pinctrl是同一个，配置好引脚的复用功能后紧接着就是配置GPIO）

在使用 GPIO 子系统之前，就要先确定：它是哪组的？组里的哪一个？

2.1 利用 GPIO Controller 来指定使用哪个引脚：

（注意，只是指定使用哪个引脚，配置引脚要在后面使用函数配置）

在设备树中，GPIO按组来分，一个 “GPIO 组” 就是一个 GPIO Controller，它们一般都是厂家定 义好，在 xxx.dtsi 文件中：

可以看到，在设备树中，GPIO 节点按组来分，需要重点关注 GPIO 组节点的两个属性：

gpio-controller、#gpio-cells=<2>

  • gpio-controller：声明该组GPIO节点是一个 GPIO Controller ,
  • #gpio-cells = <2>”：表明在设备节点 device client 中每一个引脚要用 2 个 32 位的数（cell）来描述。
    （一般是一个数描述用哪个引脚，另一个数描述该引脚是高电平有效还是低电平有效）

 定义 GPIO Controller 是芯片厂家的事，我们只需要在设备树中引用该 .dtsi 文件就行

2.2 怎么在设备节点引用某个引脚呢？

在自己的设备节点中使用属性 “[<name>-]gpios” ，示例如下：

 可以使用 gpios 属性，也可以使用 <name>-gpios 属性

 

一个实现了 Pinctrl 和 GPIO 子系统的设备节点示例：

myled { compatible = "100ask,leddrv";/*pinctrl部分*/ pinctrl-names = "default";  //状态pinctrl-0 = <&myled_for_gpio_subsys>; //状态0对应的引脚复用 /*GPIO子系统部分*///指定gpio组，并用两个参数描述引脚：3：pin3；GPIO_ACTIVE_LOW：低电平有效led-gpios = <&gpio5 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;  };

在这里虽然 Pinctrl 和 GPIO 子系统配置的引脚是同一个，但这是两个不同的操作，所以要引用 2 次

2.3 配置 GPIO

引用好gpio引脚后，就要开始对其进行配置了

GPIO 子系统有两套接口：

  • 一套是新的，基于描述符（descriptor-based）（不用管描述符是什么），函数前缀为 “gpiod_”
  • 一套是老的（legacy），函数前缀为 “gpio_”

PS：建议使用新的

在驱动程序中使用这些函数要包含头文件：

  • 新接口（descriptor-based）：#include <linux/gpio/consumer.h>
  • 老接口（legacy）：#include <linux/gpio.h>

常见函数如下图：

一般的操作流程：

  1. 通过 get 函数获取引脚
  2. 使用上示各种函数配置该引脚（在函数中传入获取的引脚）

具体新接口和老接口的区别：

1. 新接口

新接口用 gpio_desc 结构体表示一个引脚

新接口通过 get 函数获得的是一个引脚的 gpio_desc 结构体，其他的配置函数就是通过传入这个 gpio_desc 结构体实现具体引脚的配置

示例：

假设在设备树中有如下节点：

foo_device { compatible = "acme,foo"; ... led-gpios = <&gpio 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>, /* red */ <&gpio 16 GPIO_ACTIVE_HIGH>, /* green */ <&gpio 17 GPIO_ACTIVE_HIGH>; /* blue */power-gpios = <&gpio 1 GPIO_ACTIVE_LOW>; };

那么可以使用下面的函数获得引脚：

struct gpio_desc *red, *green, *blue, *power; red = gpiod_get_index(dev, "led", 0, GPIOD_OUT_HIGH); 
green = gpiod_get_index(dev, "led", 1, GPIOD_OUT_HIGH); 
blue = gpiod_get_index(dev, "led", 2, GPIOD_OUT_HIGH); 
power = gpiod_get(dev, "power", GPIOD_OUT_HIGH);

在代码中，因为 led-gpios 中引用了多个引脚，因此使用 gpiod_get_index 获取 led-gpios 中的不同引脚的 gpio_desc

当 gpios 中只引用了一个引脚时候，可以直接使用 gpiod_get 获取该引脚的 gpio_desc

后续使用配置函数，就可以通过传入不同引脚的 gpio_desc，实现对不同引脚的配置
 

gpiod_get 函数可以顺便设置引脚的电平（上示第3个参数），也可以通过 gpiod_set_value 设置

注意：gpiod_set_value 设置的值是“逻辑值”，不一定等于物理值（高电平有效时逻辑1=物理1，低电平有效时逻辑1=物理0）

2.老接口

老接口用编号代表一个接口

老接口 get 函数获得的是一个引脚的编号，其他的配置函数就是通过传入这个编号实现具体引脚的配置

旧的 “gpio_” 函数没办法根据设备树信息获得引脚，它需要先知道引脚号。

引脚号怎么确定？

在 GPIO 子系统中，每注册一个 GPIO Controller 时会确定它的 “base number”那么这个控制器里的第 n 号引脚的号码就是：base number + n。

可以通过查看 sysfs 来确定 base number：
  1. 先在开发板的/sys/class/gpio 目录下，找到各个 gpiochipXXX 目录（这里每个目录代表一组GPIO Controller ）：
  2. 进入某个 gpiochip 目录，查看文件 label 的内容  
  3. 根据 label 的内容对比设备树，lable中一般包含 GPIO Controller 的寄存器基地址

可以通过在设备树（dtsi 文件）中查找该基地址，就可以知道这对应哪一个 GPIO Controller，就可以把该组 GPIO Controller 与 base number 匹配起来了

如下图所示：

这样就确定了 96 是 gpio4 的 base number，base number + n（第几个引脚）就得到引脚号了

还可以基于 sysfs 操作引脚：

以 100ask_imx6ull 为例，它有一个按键，原理图如下：

那么 GPIO4_14 的号码是 96+14=110，可以如下操作读取按键值：

[root@100ask:~]# echo 110 > /sys/class/gpio/export     //获取110号引脚
[root@100ask:~]# echo in > /sys/class/gpio/gpio110/direction     //设置引脚方向为in
[root@100ask:~]# cat /sys/class/gpio/gpio110/value     //打印出引脚值
[root@100ask:~]# echo 110 > /sys/class/gpio/unexport    //释放110号引脚

注意：如果驱动程序已经使用了该引脚，那么将会 export 失败，会提示下面的错误：

3.基于 GPIO 子系统的 LED 驱动程序

流程思路：

  1. 先把某个引脚配置为 GPIO 功能
    这要使用 Pinctrl 子系统，只需要在设备树中的我们的设备节点里指定就可以。在驱动代码上不需要做任何事情。 
  2. 设备节点中还需要写出 gpios 属性，声明GPIO子系统引用的引脚
  3. 设备树节点会被内核转换为 platform_device，对应的，驱动代码中要注册一个 platform_driver，在 probe 函数中：获取在GPIO子系统引用的引脚、注册 file_operations。
  4. 在 file_operations 中就可以通过调用上面 GPIO 子系统的配置函数实现设置GIPO方向、读值/写值等操作

具体步骤（以led为例）：

1.在设备树中添加 Pinctrl 信息

1.1 在设备树 iomuxc_snvs 节点中添加 pin controller

安装“Pins_Tool_for_i.MX_Processors_v6_x64.exe”后运行，打开 IMX6ULL 的配置文件“MCIMX6Y2xxx08.mex”，就可以在 GUI 界面中选择引脚生成 Pinctrl 的 pin controller 信息

可以看到，生成的信息提示我们要把该引脚的 pin contronller 信息放到设备树 iomuxc_snvs 节点下

&iomuxc_snvs { …… myled_for_gpio_subsys: myled_for_gpio_subsys{ fsl,pins = < //第一个宏表示了把GPIO5_3配置为GPIO，第二个数表示了了要设置的参数（上下拉电阻等）MX6ULL_PAD_SNVS_TAMPER3__GPIO5_IO03 0x000110A0 >;};

 

1.2 在 led 设备节点添加 client device 信息

声明：

  • pinctrl-names：设备的各种状态
  • pinctrl-<x>：不同状态对应引脚复用的配置

2.在 led 设备节点中添加 GPIO 信息：

根据 GPIO Controller 节点里的 “#gpio-cells” 属性值，在 led 设备节点中添加 “[name]-gpios” 属性

指定：使用的是哪一个 GPIO Controller 里的哪一个引脚，还有其他 Flag 信息（高低电平有效等）

3.GPIO Controller 不需要改动，厂商在.dtsi文件中已经设置好了

完整的 led 设备节点（包含 Pinctrl 和 GPIO 子系统信息）：

myled { //用于与platform driver相匹配compatible = "100ask,leddrv"; //状态pinctrl-names = "default"; //0号状态pinctrl要复用的引脚及其功能pinctrl-0 = <&myled_for_gpio_subsys>; //GPIO子系统要引用的引脚led-gpios = <&gpio5 3 GPIO_ACTIVE_LOW>; };

4.驱动的编写

流程：

（1）定义 platform driver 结构体

  • 在 .of_match_table 中定义好和 led 设备节点相匹配的 compatible 
  • 定义好 probe 函数

在 probe 函数中：

  • 通过 gpiod_get 获取 gpio 引脚
  • 注册 file_operations 结构体 
  • 创建类和设备节点

源码示例：

static int chip_demo_gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{//int err;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/*获取GPIO引脚*//*设备树中定义了：led-gpios=<...>，因此通过“led”在pdev->dev获取*/led_gpio = gpiod_get(&pdev->dev, "led", 0);if (IS_ERR(led_gpio)) {dev_err(&pdev->dev, "Failed to get GPIO for led\n");return PTR_ERR(led_gpio);}/*注册file_operations*/major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_drv);  /* /dev/led *//*创建类*/led_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_led_class");if (IS_ERR(led_class)) {printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);unregister_chrdev(major, "led");gpiod_put(led_gpio);return PTR_ERR(led_class);}/*创建设备节点*/device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "100ask_led%d", 0); /* /dev/100ask_led0 */return 0;}

（2）定义 file_operations 结构体

在 file_operations 结构体中实现对GPIO的配置

源码示例：

/*.read函数，这里没作操作*/
static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}/*.write函数：向GPIO引脚写入status值*/
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{int err;char status;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);err = copy_from_user(&status, buf, 1);/* 根据GPIO引脚，写入status值，控制LED */gpiod_set_value(led_gpio, status);return 1;
}/*.open函数：设置引脚方向*/
static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/* 根据GPIO引脚，设置引脚方向，初始化LED */gpiod_direction_output(led_gpio, 0);return 0;
}/*.release函数：没做任何操作*/
static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}/*定义自己的file_operations结构*/
static struct file_operations led_drv = {.owner	 = THIS_MODULE,.open    = led_drv_open,.read    = led_drv_read,.write   = led_drv_write,.release = led_drv_close,
};

完整源码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/of.h>/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *led_class;
static struct gpio_desc *led_gpio;/*.read函数，这里没作操作*/
static ssize_t led_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}/*.write函数：向GPIO引脚写入status值*/
static ssize_t led_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{int err;char status;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);err = copy_from_user(&status, buf, 1);/* 根据GPIO引脚，写入status值，控制LED */gpiod_set_value(led_gpio, status);return 1;
}/*.open函数：设置引脚方向*/
static int led_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/* 根据GPIO引脚，设置引脚方向，初始化LED */gpiod_direction_output(led_gpio, 0);return 0;
}/*.release函数：没做任何操作*/
static int led_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);return 0;
}/*定义自己的file_operations结构*/
static struct file_operations led_drv = {.owner	 = THIS_MODULE,.open    = led_drv_open,.read    = led_drv_read,.write   = led_drv_write,.release = led_drv_close,
};static int chip_demo_gpio_probe(struct platform_device *pdev)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/*获取GPIO引脚*//*设备树中定义了：led-gpios=<...>，因此通过“led”在pdev->dev获取*/led_gpio = gpiod_get(&pdev->dev, "led", 0);if (IS_ERR(led_gpio)) {dev_err(&pdev->dev, "Failed to get GPIO for led\n");return PTR_ERR(led_gpio);}/*注册file_operations*/major = register_chrdev(0, "100ask_led", &led_drv);  /* /dev/led *//*创建类*/led_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_led_class");if (IS_ERR(led_class)) {printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);unregister_chrdev(major, "led");gpiod_put(led_gpio);return PTR_ERR(led_class);}/*创建设备节点*/device_create(led_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "100ask_led%d", 0); /* /dev/100ask_led0 */return 0;}static int chip_demo_gpio_remove(struct platform_device *pdev)
{device_destroy(led_class, MKDEV(major, 0));class_destroy(led_class);unregister_chrdev(major, "100ask_led");gpiod_put(led_gpio);return 0;
}/*定义和设备节点匹配的compatible*/
static const struct of_device_id ask100_leds[] = {{ .compatible = "100ask,leddrv" },{ },
};/* 定义platform_driver */
static struct platform_driver chip_demo_gpio_driver = {.probe      = chip_demo_gpio_probe,.remove     = chip_demo_gpio_remove,.driver     = {.name   = "100ask_led",.of_match_table = ask100_leds,},
};/* 在入口函数：注册platform_driver */
static int __init led_init(void)
{int err;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);err = platform_driver_register(&chip_demo_gpio_driver); return err;
}/* 出口函数：卸载platform_driver */
static void __exit led_exit(void)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);platform_driver_unregister(&chip_demo_gpio_driver);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);MODULE_LICENSE("GPL");

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