9. GPIO子系统

1. 基础知识

什么是GPIO？

• 定义：

• GPIO（General-Purpose Input/ Output，通用输入输出）是一种灵活的硬件接口，允许开发者通过编程控制其工作模式（输入或输出），实现以下功能：

• 输出模式：主动控制引脚电平（高/低），用于驱动外部设备（如点亮LED、控制继电器）。

• 输入模式：读取外部信号的电平状态（如检测按键是否按下、传感器触发信号）。

• 典型应用场景：

• 控制简单外设：LED、蜂鸣器、继电器。

• 读取外部信号：按键、开关、传感器（如红外、温湿度）。

• 实现通信协议：作为I2C、SPI的片选（CS）信号，或自定义低速协议。

核心概念

1. 方向（Direction）

• 输入模式（Input）：

• 引脚作为“信号接收端”，用于检测外部设备的状态。

• 示例：读取按键是否被按下（按键按下时引脚电平变化）。

• 输出模式（Output）：

• 引脚作为“信号发送端”，主动控制外部设备。

• 示例：设置引脚电平为高，点亮LED。

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2. 电平（Level）

物理电平：
• 高电平：实际电压值（如3.3V或5V，取决于硬件设计）。
• 低电平：接近0V的电压（如0V）。
逻辑电平：
• 逻辑1：对应高电平（1）。
• 逻辑0：对应低电平（0）。

逻辑值	物理电平（典型值）	应用场景
1	3.3V / 5V	点亮LED、使能设备
0	0V	关闭LED、禁用设备

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3. 有效极性（Active Polarity）

作用：定义“有效状态”对应的逻辑电平，简化硬件设计。

• GPIO_ACTIVE_HIGH（高有效）：
  ◦ 有效状态 = 逻辑1（高电平）。
  ◦ 示例：LED正极接GPIO，负极接地。当GPIO输出1时，LED点亮。

• GPIO_ACTIVE_LOW（低有效）：
  ◦ 有效状态 = 逻辑0（低电平）。
  ◦ 示例：LED正极接电源，负极接GPIO。当GPIO输出0时，LED点亮。

• 关键区别：

// 设备树中定义极性：  
gpios = <&gpio0 5 GPIO_ACTIVE_HIGH>; // 高有效  
gpios = <&gpio0 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;  // 低有效  

// 驱动代码中设置电平：  
gpiod_set_value(led, 1); // 无论极性如何，均表示“激活设备”  

• 若极性为GPIO_ACTIVE_LOW，gpiod_set_value(1)会将物理电平设为0，从而点亮LED。

为什么需要有效极性？
• 硬件设计灵活性：
某些电路需要低电平触发（如共阳极LED），通过配置极性可避免修改代码逻辑。
• 代码统一性：
驱动代码只需关注“激活/关闭设备”的逻辑值（1或0），无需关心具体电平。

总结

• GPIO是连接软件与硬件的桥梁，通过方向、电平、极性控制外部设备。
• 输入模式用于检测信号，输出模式用于驱动设备。
• 有效极性将逻辑值与物理电平解耦，简化开发和硬件设计。

4. 设备树配置

4.1 关闭系统默认的GPIO占用

在设备树中禁用系统自带的心跳灯（避免GPIO冲突）：

// 文件：rk3568-evb.dtsi
&leds {
    work_led: work {
        status = "disabled";  // 关闭心跳灯
    };
};

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4.2 添加LED设备节点

在根节点下添加自定义LED配置：

// 文件：rk3568-atk-evb1-ddr4-v10.dtsi
/ {
    gpioled {
        compatible = "alientek,led";       // 驱动匹配标识
        led-gpio = <&gpio0 RK_PC0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;  // GPIO0_C0引脚，高电平有效
        status = "okay";
    };
};

参数解析：

• &gpio0：GPIO控制器为GPIO0组。

• RK_PC0：引脚号为C0（对应索引号16）。

• GPIO_ACTIVE_HIGH：高电平激活LED。

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4.3 验证设备树

编译并烧写设备树后，检查节点是否生效：

cat /proc/device-tree/gpioled/status  # 应输出"okay"

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5. 驱动代码实现

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5.1 完整驱动代码（gpioled.c）

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/gpio.h>

#define GPIOLED_NAME   "gpioled"
#define LED_ON  1
#define LED_OFF 0

struct gpioled_dev {
    struct device_node *nd;     // 设备树节点
    int led_gpio;               // GPIO编号
};

static struct gpioled_dev gpioled;

// 文件操作函数：写操作控制LED
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, 
                        size_t cnt, loff_t *offt) {
    u8 val;
    if (copy_from_user(&val, buf, cnt))  // 从用户空间获取值
        return -EFAULT;

    gpio_set_value(gpioled.led_gpio, val);  // 设置GPIO电平
    return cnt;
}

static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .write = led_write,
};

// 驱动初始化
static int __init led_init(void) {
    int ret;

    // 1. 获取设备树节点
    gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    if (!gpioled.nd) {
        printk("Failed to find gpioled node!\n");
        return -ENODEV;
    }

    // 2. 解析GPIO编号
    gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);
    if (gpioled.led_gpio < 0) {
        printk("Invalid GPIO: %d\n", gpioled.led_gpio);
        return -EINVAL;
    }

    // 3. 申请GPIO资源
    ret = gpio_request(gpioled.led_gpio, "led-gpio");
    if (ret) {
        printk("GPIO %d request failed!\n", gpioled.led_gpio);
        return ret;
    }

    // 4. 配置为输出模式，初始低电平
    gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, LED_OFF);

    // 5. 注册字符设备
    ret = register_chrdev(0, GPIOLED_NAME, &fops);
    if (ret < 0) {
        gpio_free(gpioled.led_gpio);
        printk("Failed to register chrdev!\n");
        return ret;
    }

    printk("LED driver loaded. GPIO: %d\n", gpioled.led_gpio);
    return 0;
}

// 驱动卸载
static void __exit led_exit(void) {
    gpio_set_value(gpioled.led_gpio, LED_OFF);  // 关闭LED
    gpio_free(gpioled.led_gpio);                // 释放GPIO
    unregister_chrdev(0, GPIOLED_NAME);         // 注销设备
    printk("LED driver unloaded.\n");
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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5.2 关键代码解析

1. 设备树交互：

   • of_find_node_by_path：通过路径查找设备树节点。

   • of_get_named_gpio：从设备树属性解析GPIO编号。

2. GPIO操作：

   • gpio_request：申请GPIO资源。

   • gpio_direction_output：设置为输出模式并初始化电平。

3. 用户空间接口：

   • led_write：接收用户指令（1或0）控制LED亮灭。

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6. 编译与测试

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6.1 编译驱动

使用Makefile编译驱动：

obj-m += gpioled.o
all:
    make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules

执行编译：

make

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6.2 加载驱动并测试

insmod gpioled.ko          # 加载驱动
echo 1 > /dev/gpioled      # 点亮LED
echo 0 > /dev/gpioled      # 熄灭LED
rmmod gpioled              # 卸载驱动

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6.3 验证GPIO状态

gpioinfo gpiochip0         # 查看GPIO0所有引脚状态
gpioget gpiochip0 16       # 读取GPIO0_C0电平（应为0或1）

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7. 常见问题排查

1. GPIO申请失败：

   • 检查设备树是否禁用系统默认占用（如心跳灯）。

   • 使用dmesg查看内核日志，确认冲突信息。

2. 电平反向问题：

   • 修改设备树的GPIO_ACTIVE_HIGH/LOW属性。

   • 硬件检查：确认LED正负极接线正确。

3. 驱动加载失败：

   • 确保设备树节点compatible值与驱动匹配。

   • 检查GPIO编号是否正确（of_get_named_gpio返回值）。

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总结

通过设备树配置GPIO引脚并编写对应驱动，可实现灵活的硬件控制。关键步骤包括：

1. 设备树配置：禁用冲突节点，定义GPIO属性。

2. 驱动开发：解析设备树、申请GPIO、实现用户接口。

3. 调试验证：使用gpioinfo/gpioget工具确保硬件与软件一致。

下一步可扩展功能：添加中断处理、PWM控制或结合其他外设（如按键）实现复杂交互。 可参考https://blog.guoxiaozhong.cn/archives/1706491900645#2-2-gpio%E5%AD%90%E7%B3%BB%E7%BB%9FAPI%E5%87%BD%E6%95%B0