基于pinctrl和GPIO子系统的按键驱动程序

news/2024/9/30 21:24:20

嵌入式驱动开发中pinctrl和GPIO子系统使用频率非常高，其中pinctrl子系统主要用于复用和配置引脚，GPIO子系统用于设置GPIO的输入/输出，向引脚写入数据或者从引脚读取数据。一个引脚可以复用为多种不同的功能，因此要使用GPIO子系统首先要先把引脚配置为GPIO功能。下面将分为两部分记录如何基于pinctrl子系统和GPIO子系统编写按键驱动程序。

本实验基于imx6ull开发板

1、向设备树添加内容
（1）使用pinctrl子系统复用引脚为GPIO功能
基于pinctrl和GPIO子系统进行驱动开发本质上还是基于设备树的总线设备驱动模型，但是此时设备树中节点代码的格式要遵守对应芯片厂家提供的pinctrl和GPIO子系统的格式，这样他们的软件才能正确运行。
pinctrl子系统对应的引脚的复用、配置，因此它必然要获取引脚相关的寄存器信息和配置信息，因此要在设备树中pinctrl对应的节点下添加子节点用于描述要用到的引脚。

使用NXP提供的i.MX Pins Tool v6工具，可以方便的得到配置pinctrl子系统设备树节点的代码。
在前面的按键驱动笔记中已经给出了按键的原理图，根据引脚名去芯片参考手册可以查到引脚属于GPIO1_IO18，打开i.MX Pins Tool v6工具后，在GPIO1组中找到IO18，并点击选中（打勾），如下图所示。

在图中的右侧可以看到右侧iomux节点下有一个子节点

点击查看代码 
BOARD_InitPins: BOARD_InitPinsGrp {                /*!< Function assigned for the core: Cortex-A7[ca7] */fsl,pins = <MX6UL_PAD_UART1_CTS_B__GPIO1_IO18          0x000010B0>;};
把这个子节点代码复制到我们的设备树下的iomuxc节点下，并改一下名称就可以。iomux节点可以理解为就是pinctrl子系统对应的设备树节点，它会到这里来寻找引脚的复用、配置信息，并且它的格式要和它的代码相适应。 将代码复制到设备树中iomuxc节点下并改名后如下：
点击查看代码 
pinctrl_key: keyGrp {                /*!< Function assigned for the core: Cortex-A7[ca7] */fsl,pins = <MX6UL_PAD_UART1_CTS_B__GPIO1_IO18          0x000010B0>;};

在上述代码中，fsl,pins是芯片提供的pinctrl子系统规定的属性名MX6UL_PAD_UART1_CTS_B__GPIO1_IO18表示了UART1_CTS_B引脚对应的一组寄存器，它是一个宏定义，猜测它应该包含了引脚对应的复用寄存器、配置寄存器地址。具体的分析过程参考正点原子驱动开发文档中的pinctrl和gpio子系统章节。

（2）使用GPIO子系统
向iomux添加子节点是为了使用引脚的相关寄存器信息，接下来还要在设备树的根节点下添加设备对应的子节点（因为我们刚才在iomux节点下添加的子节点并不会被转换为platform_device），并引用iomux节点下的内容。这个过程与基于设备树的总线设备模型是类似，只不过我们没有直接在设备节点下写上寄存器信息，而是引用了定义好的节点的信息。
下面是在根节点下创建设备节点，并引用前面在iomux下添加的子节点

点击查看代码 
pinctrl_gpio_mykey {#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;compatible = "mykey_driver";	/*用于驱动匹配*/pinctrl-names = "default";	/*pinctrl-前缀的属性是给pinctrl子系统使用的，-gpio后缀的属性是给GPIO子系统使用的*/pinctrl-0 = <&pinctrl_key>;key-gpio = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW>;	/*这里设置了低电平有效，因此引脚物理状态和逻辑值相反*/status = "okay";};

在上面代码中，pinctrl-names = "default";表示它只有一个默认状态default，对应这个状态pinctrl子系统所使用的节点信息由pinctrl-0指定，而pinctrl-0又引用了pinctrl_key节点，因此最终pinctrl子系统使用pinctrl_key节点中定义的属性来进行寄存器的设置从而实现引脚的复用、配置。
key-gpio = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW>表示使用gpio1组的IO18，并且低电平有效，其中-gpio后缀是必须的，因此GPIO子系统会根据这个后缀找到对应的属性，&gpio1表示使用GPIO1组，它是一个GPIO控制器，里面包含了这一组GPIO的寄存器地址信息，根据18就可以找到GPIO1_IO18的寄存器地址信息。
status = "okay";就是使能这个节点，让它能够被内核转换为platform_device，如果设置为disable，就是屏蔽这个节点，相当于注释掉了

添加好设备树节点信息后，在设备树文件中全局搜索GPIO1_IO18和gpio1 18,查看是否有其它节点也使用了这个引脚，如果有就注释掉，否则会导致引脚冲突。

2、基于pinctrl和GPIO子系统的驱动程序代码编写
按照规定的格式写好设备树文件后，在驱动代码中并不需要调用pinctrl子系统，因为在内核加载设备树文件时，就已经根据设备树中节点的信息转换为platform_device并初始化好引脚的复用、配置了。我们要做的其实就是调用GPIO子系统提供的函数对GPIO进行方向设置、读写GPIO即可，下面是代码

点击查看代码 
/*
本次实验是基于pinctrl子系统和gpio子系统进行按键驱动程序编写
platform_device由设备树生成并由pinctrl子系统所使用的引脚进行复用为gpio
在该文件中实现：
（1）定义platform_drvier结构体变量并填充内容（a）实现probe函数：从设备树获取gpio引脚信息、注册驱动、创建设备类class，创建设备节点（b）实现remove函数：释放gpio引脚、删除设备节点、删除设备类class、删除节点
（2）实现file_operations结构体的内容，并注册驱动（a）实现open、read、write、release函数
*/#include "asm/uaccess.h"
#include "linux/export.h"
#include "linux/mod_devicetable.h"
#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>static int major;  //主设备号
static struct class *key_class;
static struct gpio_desc *key_gpio;  //在使用gpdio子系统时，需要通过gpio-desc这个结构体来获取引脚/*实现file_operations结构体
实现open read 和close函数
*/ssize_t key_read(struct file *file, char __user *user, size_t size, loff_t *offset)
{   /*读取按键状态并传递到用户空间*/char state;    int err;// printk("%s %s %d\n",__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__ );/*在原理图中，按键按下时是低电平，但是因为设备树中设置了低电平有效，所以引脚物理状态和gpiod_get_value的返回值相反因此按键按下时返回的是1，不按时返回0*/state = gpiod_get_value(key_gpio);  //读取GPIO状态// state = ~state; //直接取反，并不会从1变成0。通过输出发现，不按下时返回0，取反后输出255，按下时返回1，取反后是254因为1的二进制是0b00000001,取反后是0b11111110,对应10进制就是254state ^= (1);   //使用异或取反printk("state = %d\n", state);err = copy_to_user(user, &state, 1);return 1;   //读取按键的状态，只需要一个字节的char字符表示就行
}int key_open(struct inode *node, struct file *file)
{/*应用程序打开按键对应的设备文件时会调用这个函数，此时相当于要开始使用设备了，那么需要执行一些初始化操作配置所用的引脚为输入*/printk("%s %s %d",__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__ );gpiod_direction_input(key_gpio);    //设置GPIO为输入return 0;
}int key_close(struct inode *node, struct file *file)
{/*可以将引脚恢复为高电平输出状态*/printk("%s %s %d",__FILE__, __FUNCTION__, __LINE__ );gpiod_direction_output(key_gpio, 0);    //设置gpio为输出，并默认输出高电平return 0;
}struct file_operations key_oprs = {.owner = THIS_MODULE,.open = key_open,.release = key_close,.read = key_read,};/*实现platform_driver结构体,主要填充两个函数
（1）probe，设备和驱动相互匹配时调用
（2）remove函数 卸载设备时调用，如果直接卸载驱动，那么每个匹配的设备都会执行这个函数一次
*/int key_probe(struct platform_device *pdev)
{/*设备和驱动匹配时执行，因此在这里要注册设备的操作函数，创建类，创建设备，要使用GPIO子系统获取引脚*/printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);/*获取按键对应的gpio*/key_gpio = gpiod_get(&pdev->dev, "key", 0);if (IS_ERR(key_gpio)) {dev_err(&pdev->dev, "Failed to get GPIO for key\n");return PTR_ERR(key_gpio);}/*向内核注册file_operations结构体*/major = register_chrdev(0, "key_driver", &key_oprs);//创建classkey_class = class_create(THIS_MODULE, "key_class");if (IS_ERR(key_class)) {printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);unregister_chrdev(major, "key_driver");gpiod_put(key_gpio);return PTR_ERR(key_class);}/*创建设备节点*/device_create(key_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "key_0");return 0;
}
int key_remove(struct platform_device *pdev)
{/*与probe函数的操作相反*/device_destroy(key_class, MKDEV(major, 0));class_destroy(key_class);unregister_chrdev(major, "key_driver");gpiod_put(key_gpio);    //释放引脚return 0;
}/*创建匹配表，驱动能够与设备树中下列节点匹配*/
static const struct of_device_id keys_match_table[] = {{.compatible = "mykey_driver"}
};struct platform_driver key_drv = {.probe = key_probe,.remove = key_remove,.driver = {.name = "mykey",        //driver中的.name字段必须加上，不然运行时报错，暂时不懂得为什么.of_match_table = keys_match_table,}
};static int __init key_drv_init(void)
{int err;printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);err = platform_driver_register(&key_drv);printk("err = %d", err);return err;
}static void __exit key_drv_exit(void)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);platform_driver_unregister(&key_drv);
}module_init(key_drv_init);
module_exit(key_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

在代码编写过程遇到的一些细节问题都已经写在注释里了，这里再总结一下：
（1）~是按位取反，如果只是把某一位或某几位取反，应该用异或^；
（2）在设备树中定义gpio1 18 是低电平有效，因此gpiod_get_value函数读取到的GPIO逻辑值和真实的引脚物理值相反；
（3）copy_to_user(user, &state, 1)中的state在定义时不需要声明为volatile，否则会产生警告，而且传入的是地址，因此每次都是从state的内存处取值，不用担心被编译器优化导致数据与预期不符；
（4）在platform_driver的driver字段中的name字段必须赋值，否则在编译时不报错，但是驱动运行时会产生空指针错误，因为驱动和设备匹配时首先比较platform_driver中的driver中的name和platform_device中的override；
（5）在驱动中读取按键状态时，不用防抖，驱动应该只提供读取功能，防抖应该是在应用程序中实现。

应用程序代码如下，在里面调用了按键驱动和led驱动，使用按键实现灯的亮灭操作

点击查看代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main(int argc, char** argv)
{int fd_button, fd_led;char val;char state;/*判断参数*/if(argc != 3){printf("Usage: %s <buton_dev> <led_dev>\n", argv[0]);}fd_button = open(argv[1], O_RDWR);fd_led = open(argv[2], O_RDWR);if(fd_button == -1 || fd_led == -1){printf("can not open file %s\n", argv[1]);return -1;}/*读文件, 控制led灯*/state = 0;write(fd_led, &state, 1);while(1){read(fd_button, &val, 1);if(val == 0){usleep(10000);read(fd_button, &val, 1);if(val == 0){state ^= (1);}write(fd_led, &state, 1);// printf("led state: %d", state);sleep(1);}}close(fd_button);close(fd_led);return 0;
}

至此，基于pinctrl子系统和GPIO子系统的按键驱动程序已经完成，可以看到，使用pinctrl和GPIO子系统可以简化驱动开发工作，而不用直接操作寄存器。但是不管如何，直接操作寄存器是驱动开发本质，只有掌握了本质才能用好别人的工具，要知其然，更要知其所以然。

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