Linux平台GPIO控制器與IRQ處理

Linux 核心提供完善的 GPIO 子系統，讓開發者能有效控制硬體。本文從驅動程式角度出發，首先剖析核心中gpio_chip結構體的組成，包含各個欄位的意義與使用方法，並以程式碼片段展示如何註冊 GPIO 晶片到系統中。接著，文章說明 GPIO 中斷處理的實作方式，並列舉 CHAINED、GENERIC CHAINED 和 NESTED THREADED 三種常見的 GPIO IRQ 型別，讓讀者瞭解不同中斷處理機制的差異。除了底層的gpio_chip操作，文章也介紹了根據描述符的 GPIO 介面，包含gpiod_get、gpiod_direction_input、gpiod_set_value等函式，提供更簡潔易用的 GPIO 操作方式。此外，文章也說明如何在裝置樹中描述 GPIO 設定，以及如何使用gpiod_to_irq函式將 GPIO 對應到 IRQ 編號。最後，文章也涵蓋了核心空間與使用者空間資料交換、MMIO 裝置存取等相關議題，並以 RGB LED 平台裝置模組為例，示範如何整合這些技術，讓讀者能更全面地理解 Linux 平台下 GPIO 的應用與開發。

平台驅動程式中的GPIO控制器與IRQ處理

在嵌入式系統中，GPIO（General Purpose Input/Output）控制器扮演著重要的角色，用於控制和處理外部裝置的輸入輸出訊號。與此同時，中斷處理（IRQ）也是系統設計中的關鍵部分，能夠讓系統對外部事件做出及時的回應。本章節將探討GPIO控制器及其IRQ處理的實作細節。

GPIO控制器的實作

GPIO控制器的實作主要透過gpio_chip結構體來完成，該結構體定義在核心原始碼的include/linux/gpio/driver.h中。以下是一個典型的gpio_chip結構體例項：

static struct gpio_chip bcm2835_gpio_chip = {
    .label = "bcm2835_gpio",
    .owner = THIS_MODULE,
    .request = gpiochip_generic_request,
    .free = gpiochip_generic_free,
    .direction_input = bcm2835_gpio_direction_input,
    .direction_output = bcm2835_gpio_direction_output,
    .get_direction = bcm2835_gpio_get_direction,
    .get = bcm2835_gpio_get,
    .set = bcm2835_gpio_set,
    .set_config = gpiochip_generic_config,
    .base = -1,
    .ngpio = BCM2835_NUM_GPIOS,
    .can_sleep = false,
};

內容解密：

• .label屬性定義了GPIO控制器的名稱。
• .request和.free方法用於請求和釋放GPIO管腳。
• .direction_input和.direction_output方法分別用於設定GPIO管腳的方向為輸入或輸出。
• .get_direction方法用於取得GPIO管腳的當前方向。
• .get和.set方法分別用於讀取和設定GPIO管腳的狀態。
• .base屬性表示GPIO控制器的起始編號，-1表示動態分配。
• .ngpio屬性表示GPIO控制器管理的管腳數量。
• .can_sleep屬性表示GPIO控制器是否可以在睡眠模式下操作。

GPIO控制器的註冊

在驅動程式初始化過程中，需要將gpio_chip結構體註冊到GPIO子系統中。以下是一個範例：

static int bcm2835_pinctrl_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct device *dev = &pdev->dev;
    struct device_node *np = dev->of_node;
    struct bcm2835_pinctrl *pc;
    
    // ...
    
    pc->gpio_chip = bcm2835_gpio_chip;
    pc->gpio_chip.parent = dev;
    pc->gpio_chip.of_node = np;
    
    // ...
    
    err = gpiochip_add_data(&pc->gpio_chip, pc);
    if (err) {
        dev_err(dev, "could not add GPIO chip\n");
        return err;
    }
    
    // ...
}

內容解密：

• bcm2835_pinctrl_probe函式是驅動程式的初始化函式，在裝置匹配時被呼叫。
• 將bcm2835_gpio_chip結構體指定給pc->gpio_chip，並設定其父裝置和裝置樹節點。
• 呼叫gpiochip_add_data函式將GPIO控制器註冊到GPIO子系統中。

GPIO IRQ處理

GPIO控制器通常也提供中斷功能，用於處理外部事件。以下是一個典型的GPIO IRQ處理範例：

static void bcm2835_gpio_irq_handler(struct irq_desc *desc)
{
    struct gpio_chip *chip = irq_desc_get_handler_data(desc);
    struct bcm2835_pinctrl *pc = gpiochip_get_data(chip);
    struct irq_chip *host_chip = irq_desc_get_chip(desc);
    int irq = irq_desc_get_irq(desc);
    int group, i;
    
    // ...
    
    chained_irq_enter(host_chip, desc);
    
    // 處理中斷事件
    
    chained_irq_exit(host_chip, desc);
}

內容解密：

• bcm2835_gpio_irq_handler函式是GPIO IRQ的中斷處理函式。
• 使用chained_irq_enter和chained_irq_exit函式來進入和離開中斷處理流程。
• 在中斷處理流程中，會根據中斷源的不同，呼叫相應的處理函式。

GPIO IRQ型別

GPIO IRQ可以分為三種型別：CHAINED GPIO irqchips、GENERIC CHAINED GPIO irqchips和NESTED THREADED GPIO irqchips。

1. CHAINED GPIO irqchips：嵌入式系統中常見的GPIO IRQ型別，使用鏈式中斷處理流程。
2. GENERIC CHAINED GPIO irqchips：與CHAINED GPIO irqchips類別似，但使用通用的中斷處理函式。
3. NESTED THREADED GPIO irqchips：用於需要慢速匯流排通訊的GPIO擴充套件器，使用巢狀執行緒來處理中斷。

本章節介紹了GPIO控制器及其IRQ處理的實作細節，包括gpio_chip結構體的定義、GPIO控制器的註冊和GPIO IRQ處理的範例。接下來的章節將繼續探討相關主題。

GPIO 描述符消費者介面

本章節描述根據描述符的 GPIO 介面。若需瞭解已棄用的根據整數的 GPIO 介面，請參考 Documentation/gpio/ 目錄下的 gpio-legacy.txt 檔案。

所有使用描述符式 GPIO 介面的函式均以 gpiod_ 為字首。gpio_ 字首則用於舊式介面。核心中的其他函式不應使用這些字首。強烈建議不要使用舊式函式，新程式碼應專門使用 <linux/gpio/consumer.h> 和描述符。

取得和釋放 GPIOs

GPIO 描述符介面透過 devm_gpiod_get() 函式傳回的 gpio_desc 結構來識別每個 GPIO。此函式接受以下引數：GPIO 消費者裝置（dev）、GPIO 消費者中的功能（con_id）以及不同的可選 GPIO 初始化標誌（flags）：

struct gpio_desc *devm_gpiod_get(struct device *dev, const char *con_id,
                                 enum gpiod_flags flags)

devm_gpiod_get_index() 是 devm_gpiod_get() 的變體，允許存取在特定 GPIO 功能中定義的多個 GPIOs。devm_gpiod_get_index() 函式透過使用 of_find_gpio() 函式，從裝置樹中查詢 GPIO 功能（con_id）及其索引（idx）來傳回 GPIO 描述符：

struct gpio_desc *devm_gpiod_get_index(struct device *dev,
                                       const char *con_id,
                                       unsigned int idx,
                                       enum gpiod_flags flags);

內容解密：

• devm_gpiod_get() 和 devm_gpiod_get_index() 用於取得 GPIO 描述符。
• flags 引數可指定 GPIO 的方向和初始值。
• devm_gpiod_get_index() 可用於存取多個 GPIOs。

flags 引數可以指定 GPIO 的方向和初始值。以下是一些重要的值：

• GPIOD_ASIS 或 0 表示不初始化 GPIO，方向必須稍後使用專用函式設定。
• GPIOD_IN 表示將 GPIO 初始化為輸入。
• GPIOD_OUT_LOW 表示將 GPIO 初始化為輸出，初始值為 0。
• GPIOD_OUT_HIGH 表示將 GPIO 初始化為輸出，初始值為 1。

可以使用 devm_gpiod_put() 函式釋放 GPIO 描述符。

使用 GPIOs

每當編寫需要控制 GPIO 的 Linux 驅動程式時，必須指定 GPIO 的方向。這可以透過 devm_gpiod_get*() 函式的 flags 引數或稍後呼叫 gpiod_direction_*() 函式來實作（如果將 flags 引數設為 GPIOD_ASIS）：

int gpiod_direction_input(struct gpio_desc *desc);
int gpiod_direction_output(struct gpio_desc *desc, int value);

內容解密：

• 使用 GPIOs 前必須設定其方向。
• 可透過 devm_gpiod_get*() 的 flags 或呼叫 gpiod_direction_*() 設定方向。
• 成功傳回零，否則傳回負的 errno。

對於輸出 GPIOs，提供的初始值有助於避免在系統啟動期間的訊號抖動。

大多數 GPIO 控制器的存取方式是使用記憶體讀寫指令，這些指令不需要睡眠，可以在硬 IRQ 處理程式中安全地執行。

可使用以下函式在原子上下文中存取 GPIOs：

int gpiod_get_value(const struct gpio_desc *desc);
void gpiod_set_value(struct gpio_desc *desc, int value);

內容解密：

• gpiod_get_value() 用於取得 GPIO 的值。
• gpiod_set_value() 用於設定 GPIO 的值。
• 這兩個函式考慮了 active-low 屬性。

由於驅動程式不應關心物理線路級別，所有 gpiod_set_value_xxx() 函式都根據邏輯值進行操作。這意味著它們會檢查 GPIO 是否組態為 active-low，如果是，則在驅動物理線路級別之前對傳遞的值進行操作。

將 GPIOs 對映到 IRQs

可以透過 GPIO 發生中斷請求。使用以下函式可取得與給定 GPIO 對應的 Linux IRQ 編號：

int gpiod_to_irq(const struct gpio_desc *desc)

內容解密：

• 使用 gpiod_to_irq() 可取得與 GPIO 對應的 Linux IRQ 編號。
• 此函式不允許睡眠。
• 傳回值可傳遞給 request_irq() 或 free_irq()。

裝置樹中的 GPIOs

GPIOs 在裝置樹中對映到裝置和功能。具體方式取決於提供 GPIOs 的 GPIO 控制器（請參閱您的控制器的裝置樹繫結）。

GPIOs 的對映在消費者裝置節點中使用名為 <function>-gpios 的屬性定義，其中 <function> 是由 Linux 驅動程式透過呼叫 gpiod_get() 函式請求的。例如：

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

內容解密：

• 在裝置樹中使用 <function>-gpios 屬性對映 GPIOs。
• 例如，led-gpios 和 power-gpios 分別對映到不同的 GPIOs。

在上述例子中，&gpioa 和 &gpiob 是指向特定 gpio-controller 節點的 phandles。數字 15、16、17 和 1 分別是每個 gpio-controller 的線路偏移量，而 GPIO_ACTIVE_HIGH 是用於 GPIO 的標誌之一。

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);

內容解密：

• 使用 gpiod_get_index() 和 gpiod_get() 取得與裝置樹中定義的 GPIOs 對應的描述符。
• 第二個引數 con_id 必須與裝置樹中使用的 gpios 字尾的功能字首相同。

在核心和使用者空間之間交換資料

Linux 作業系統透過將整個記憶體分成兩個邏輯部分（使用者空間和核心空間）來防止使用者行程存取其他行程，以及防止行程直接存取或操縱核心資料結構和服務。

系統呼叫是應用程式和 Linux 核心之間的基本介面。系統呼叫在核心空間中實作，其各自的處理程式透過特定的機制被呼叫。

平台驅動程式

在 Linux 核心中，驅動程式是應用程式與硬體之間的介面。當一個行程執行系統呼叫時，核心會代表呼叫的行程在行程上下文中執行。當核心回應中斷時，中斷處理程式會在中斷上下文中非同步執行。

存取使用者空間資料

由於安全性問題和架構差異，直接存取使用者空間指標可能會導致錯誤行為、核心異常或安全漏洞。正確存取使用者空間資料的方法是使用以下巨集或函式：

1. 單一值存取

   • get_user(type val, type *address);：將使用者空間指標 address 所指向的值賦給核心變數 val。
   • put_user(type val, type *address);：將核心變數 val 的內容賦給使用者空間指標 address 所指向的位置。

2. 緩衝區存取

   • unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n);：將 n 位元組從核心空間地址 from 複製到使用者空間地址 to。
   • unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n);：將 n 位元組從使用者空間地址 from 複製到核心空間地址 to。

MMIO（記憶體對映 I/O）裝置存取

週邊裝置透過寫入和讀取其暫存器來控制。通常，一個裝置有多個暫存器，可以在記憶體地址空間（MMIO）或 I/O 地址空間（PIO）中連續的地址上存取。以下是 MMIO 和 PIO 之間的主要區別：

1. MMIO

   • 使用相同的位址匯流排來定址記憶體和 I/O 裝置。
   • 使用常規指令存取 I/O 裝置。
   • 是 Linux 支援的不同架構中最廣泛使用的 I/O 方法。

2. PIO

   • 記憶體和 I/O 裝置有不同的位址空間。
   • 使用特殊類別的 CPU 指令來存取 I/O 裝置。

BCM2837 SoC 使用 MMIO 存取，因此本文將更詳細地描述此方法。

對映 I/O 記憶體

Linux 驅動程式不能直接存取實體 I/O 位址，需要 MMU 對映。為了存取 I/O 記憶體，驅動程式需要一個處理器可以處理的虛擬位址，因為預設情況下，I/O 記憶體未對映到虛擬記憶體中。

可以使用以下兩種函式獲得此 I/O 虛擬位址：

1. 使用 ioremap() 和 iounmap() 函式進行對映和取消對映。ioremap() 函式接受實體位址和區域大小，並傳回一個可以被解除參考的虛擬記憶體指標（如果對映不可能，則傳回 NULL）。

   void __iomem *ioremap(phys_addr_t offset, unsigned long size);
   void iounmap(void *address);
   

2. 使用由裝置管理的 devm_ioremap() 和 devm_iounmap() 函式進行對映和取消對映，這些函式簡化了驅動程式碼和錯誤處理。使用 ioremap() 在裝置驅動程式中現在已被棄用。

   void __iomem *devm_ioremap(struct device *dev, resource_size_t offset, unsigned long size);
   void devm_iounmap(struct device *dev, void __iomem *addr);
   

每個裝置（基本的裝置結構）透過其包含的 devres_head 結構管理一個資源的鏈結串列。呼叫一個受管理的資源分配器涉及將資源新增到串列中。當 probe() 函式以錯誤狀態離開或在 remove() 函式傳回後，資源將以相反的順序釋放。在 probe() 函式中使用受管理的函式可以消除錯誤處理時所需的資源釋放，用簡單的傳回陳述式替換了 goto 陳述式和其他資源釋放。它還消除了在 remove() 函式中的資源釋放。

程式碼範例

// 使用 devm_ioremap 進行 I/O 記憶體對映
void __iomem *gpio_base = devm_ioremap(&pdev->dev, GPIO_BASE_ADDR, SZ_4K);
if (IS_ERR(gpio_base)) {
    dev_err(&pdev->dev, "Failed to remap GPIO registers\n");
    return PTR_ERR(gpio_base);
}

// 使用 ioread32 和 iowrite32 進行暫存器存取
unsigned int gpio_level = ioread32(gpio_base + GPLEV0_OFFSET);
iowrite32(gpio_level | (1 << GPIO_PIN), gpio_base + GPSET0_OFFSET);

內容解密：

1. devm_ioremap 函式：用於將實體 I/O 位址對映到虛擬記憶體，以便於核心存取週邊裝置的暫存器。這裡將 GPIO 的基址對映到虛擬記憶體。
2. ioread32 和 iowrite32 函式：用於讀寫虛擬位址上的暫存器值。這些函式確保了正確的位元組順序和快取一致性。
3. GPLEV0_OFFSET 和 GPSET0_OFFSET：分別代表 GPIO 等級暫存器和 GPIO 設定暫存器的偏移量，用於控制 GPIO 腳位的輸入輸出狀態。

LAB 5.2：“RGB LED 平台裝置”模組

在此實驗中，您將應用本章節至今所描述的大多數概念。您將控制幾個 LED，將 SoC 的幾個周邊暫存器位址從實體位址對映到虛擬位址。您將使用雜項框架為每個 LED 建立一個字元裝置，並控制 LED 的狀態。

程式碼範例

// 初始化函式範例
static int __init rgb_led_init(void) {
    // 向核心註冊雜項裝置
    if (misc_register(&rgb_led_misc_device)) {
        printk(KERN_ERR "Failed to register misc device\n");
        return -EIO;
    }
    return 0;
}

// 清理函式範例
static void __exit rgb_led_exit(void) {
    // 從核心登出雜項裝置
    misc_deregister(&rgb_led_misc_device);
}

內容解密：

1. misc_register 和 misc_deregister 函式：用於註冊和登出雜項裝置，使得應用程式可以透過檔案系統介面（如 /dev/rgb_led）與驅動程式互動。
2. 初始化和清理函式：在模組載入時，初始化函式被呼叫以註冊裝置；在模組解除安裝時，清理函式被呼叫以登出裝置，釋放資源。