【北京迅为】《STM32MP157开发板嵌入式开发指南》- 第五十四章 Pinctrl 子系统和 GPIO 子系统

本章导读

在学习了设备树之后，如果还按照裸板开发的方式配置寄存器来控制IO的方式太过于原始，Linux内核提供了pinctrl子系统和gpio子系统用于GPIO驱动，当然pinctrl子系统负责的就不仅仅是GPIO的驱动了而是所有pin脚的配置。pinctrl子系统是随着设备树的加入而加入的，依赖于设备树。GPIO子系统在之前的内核中也是存在的，但是pinctrl子系统的加入GPIO子系统也是有很大的改变，之前的GPIO子系统需要芯片厂商提供的mach文件，而加入设备树后，GPIO子系统使用设备树来实现。

54.1章节讲解了pinctrl子系统。

54.2章节讲解了GPIO子系统。

本章内容对应视频讲解链接（在线观看）：

“pinctl和gpio子系统 (一) ” → https://www.bilibili.com/video/BV1Vy4y1B7ta?p=29

54.1 Pinctrl子系统 

大多数SOC的PIN都是支持复用的，此外我们还需要配置 pin 的电气特性，比如上/下拉、速度、驱动能力等等。传统的配置 pin 的方式就是直接操作相应的寄存器，但是这种配置方式比较繁琐、而且容易出问题(比如 pin 功能冲突)。pinctrl 子系统就是为了解决这个问题而引入的，pinctrl 子系统主要工作内容如下

• 获取设备树中pin信息，管理系统中所有的可以控制的pin，在系统初始化的时候，枚举所有可以控制的pin，并标识这些pin。
• 根据获得到的pin信息来设置pin的复用功能，对于SOC而言，其引脚除了配置成普通的GPIO之外，若干个引脚还可以组成一个pin group，形成特定的功能。
• 根据获得到的pin信息来设置pin的电气特性，比如上下拉、速度、驱动能力。

对于我们使用者来说，只需要在设备树里面设置好某个pin的相关属性即可，其他的初始化工作均由pinctrl子系统来完成，pinctrl 子系统源码目录drivers/pinctrl。

不同soc厂家的pin controller的节点是不一样的，但是这些节点里都是把某些引脚复用成某些功能。如

NXP的pinctrl子系统如下所示:

 三星pinctrl子系统如下所示：

 瑞星微pinctrl子系统如下所示：

ST的pinctrl子系统如下所示： 

不同soc厂家的pin controller的节点里面的属性都可以通过内核源码/Documentation/devicetree/bindings下的txt文档查看。

下面我们来看一下 pinctrl 子系统在 stm32mp157的设备树中是如何实现并使用的。

首先来到linux内核目录下，如图所示：

然后我们使用以下命令进入stm32mp151.dtsi文件中，找到 pinctrl: pin-controller@50002000节点，如下图所示：

vim arch/arm/boot/dts/stm32mp151.dtsi

部分截图如下图所示：

 pinctrl: pin-controller@50002000 {#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;compatible = "st,stm32mp157-pinctrl";ranges = <0 0x50002000 0xa400>;interrupt-parent = <&exti>;st,syscfg = <&exti 0x60 0xff>;hwlocks = <&hsem 0 1>;pins-are-numbered;

#address-cells 属性值为 1 和#size-cells 属性值为 1第 1818 行，

ranges 属性表示 STM32MP1 的 GPIO 相关寄存器起始地址，0x50002000 表示起始地址，0xa400 表示寄存器地址范围。

interrupt-parent 属性值为“&exti”，父中断为 exti。

然后在该内容的下方可以找到如下内容：

  gpioa: gpio@50002000 {gpio-controller;#gpio-cells = <2>;interrupt-controller;#interrupt-cells = <2>;reg = <0x0 0x400>;clocks = <&rcc GPIOA>;st,bank-name = "GPIOA";status = "disabled";};..........................................................

这些是关于gpio相关的，我们在稍后的GPIO子系统相关小节中会进行说明。绑定文档 Documentation/devicetree/bindings/pinctrl/st,stm32-pinctrl.yaml 描述了如何在设备树中设置 STM32 的 PIN 信息，截取出的一段例程如下

pinctrl@60020000 {usart1_pins_a: usart1-0 {pins1 {pinmux = <STM32_PINMUX('A', 9, AF7)>;bias-disable;drive-push-pull;slew-rate = <0>;};pins2 {pinmux = <STM32_PINMUX('A', 10, AF7)>;bias-disable;};};};

以上内容对usart1-0节点进行定义， usart1_pins_a是usart1-0的别名，然后对两个引脚使用 pinmux属性进行分别的功能复用。其中pinmux属性的宏定义在include/dt-bindings/pinctrl/stm32-pinfunc.h 文件中，具体内容如下

/* define Pins number*/
#define PIN_NO(port, line)      (((port) - 'A') * 0x10 + (line))
#define STM32_PINMUX(port, line, mode) (((PIN_NO(port, line)) << 8) | (mode))

port：表示用那一组 GPIO。

line：表示这组 GPIO 的第几个引脚。

mode：表示当前引脚要做那种复用功能

pinmux = <STM32_PINMUX('A', 9, AF7)>;

在这里以pins1的 pinmux属性为例子，进行讲解。首先前面的A代表GPIOA组别，而9代表该组别的第9个io口，之后的AF7为对应的复用功能，我们打开iTOP-STM32MP157开发板\iTOP-STM32MP157开发板光盘资料\20220223\01_开发板硬件资料\官方数据手册\STM32MP157A&D 数据手册.pdf ,然后我们来到4 Pinouts, pin description and alternate functions小节，即引脚输出、引脚描述和功能复用，找到PA9相关的功能描述如下图所示：

在找到PA9功能之后，然后找到对应的AF7，可以发现对应的复用功能为USART1_TX。

而如何对我们的pinctrl子系统进行调用呢，我们将我们在st,stm32-pinctrl.yaml例子中没列举的内容进行展示，内容如下

    usart1 {pinctrl-0 = <&usart1_pins_a>;pinctrl-names = "default";};

我们只需要将对应的节点内容，添加到&pinctrl 节点下，即可，这里我们在内核移植章节中进行了演示。

接下来我们进行gpio子系统的讲解。

54.2 GPIO子系统

当我们使用pinctrl子系统将引脚的复用关系设置为GPIO以后，我们就可以使用GPIO子系统来操作我们的GPIO了，Linux 内核提供了 pinctrl 子系统和 gpio 子系统用于 GPIO 驱动。当然 pinctrl 子系统负责的就不仅仅是 GPIO 的驱动了而是所有 pin 脚的配置。pinctrl 子系统是随着设备树的加入而加入的，依赖于设备树。GPIO 子系统在之前的内核中也是存在的，但是 pinctrl 子系统的加入 GPIO 子系统也是有很大的改变。为什么他会发生非常大的变化呢？之前我们控制一个GPIO可以直接来操作我们的寄存器，还有一种方法是使用SOC厂家实现的配置函数，例如三星的配置函数为s3c_gpio_cfgpin等，这样带来的问题就是各家有各家的接口函数与实现方式，不但内核的代码复用率低而且开发者很难记住这么多的函数，如果要使用多种平台的话背函数都是很麻烦的，所以在引入设备树后对GPIO子系统进行了大的改造，使用设备树来实现并提供统一的接口。通过 GPIO 子系统功能要实现：

• 引脚功能的配置（设置为 GPIO，特殊功能，GPIO 的方向，设置为中断等）
• 实现软硬件的分离（分离出硬件差异，有厂商提供的底层支持；软件分层。驱动只需要调用接口 API 即可操作 GPIO）
• iommu 内存管理（直接调用宏即可操作 GPIO）

经过 GPIO 子系统，我们可以通过如下的方式来配置 GPIO

下面具体讲解一下这几个函数的用法：

1 gpio_request 函数

2 gpio_free函数 

3 gpio_direction_input 函数

4 gpio_direction_output 函数 

5 gpio_get_value函数 

 6 gpio_set_value函数

 7 of_get_named_gpio 函数