Linux裝置驅動程式中斷與PWM控制

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在嵌入式系統開發中，Linux裝置驅動程式扮演著關鍵角色，特別是對於需要精確控制硬體的應用來說，中斷處理和PWM控制更是不可或缺的技術。本文以CY8C9520A這款GPIO擴充套件晶片為例，深入剖析如何在Linux驅動程式中實作這兩項功能。CY8C9520A透過I2C介面與主控器通訊，驅動程式需要妥善處理I2C通訊流程，並正確組態裝置樹以確保硬體正常運作。此外，Pin Control子系統的整合也是驅動程式開發的重點，它能提供更靈活的GPIO組態選項，讓開發者能更有效地控制硬體資源。

探討Linux裝置驅動程式中的中斷處理與PWM控制

在Linux裝置驅動程式開發中，中斷處理與PWM（Pulse Width Modulation）控制是兩個極為重要的主題。本篇文章將探討如何在裝置驅動程式中實作中斷處理以及PWM控制，並以CY8C9520A裝置為例，詳細解析相關的程式碼實作和裝置樹組態。

中斷處理在裝置驅動程式中的重要性

中斷處理是裝置驅動程式中不可或缺的一部分，它使得系統能夠及時回應硬體事件，提高系統的即時性和效率。在CY8C9520A裝置驅動程式中，中斷處理的實作涉及到裝置樹的組態和相關的回呼函式。

裝置樹組態

首先，我們需要在裝置樹中組態中斷相關的屬性。以下是一個範例組態：

cy8c9520a: cy8c9520a@20 {
    compatible = "cy8c9520a";
    reg = <0x20>;
    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <2>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;
    interrupts = <23 1>;
    interrupt-parent = <&gpio>;
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&accel_int_pin &cy8c9520apullups &cy8c9520apulldowns &cy8c9520adrivestrength>;
    
    cy8c9520apullups: pinmux1 {
        pins = "gpio0", "gpio1";
        bias-pull-up;
    };
    
    cy8c9520apulldowns: pinmux2 {
        pins = "gpio2";
        bias-pull-down;
    };
    
    cy8c9520adrivestrength: pinmux3 {
        pins = "gpio3";
        drive-strength;
    };
};

accel_int_pin: accel_int_pin {
    brcm,pins = <23>;
    brcm,function = <0>; /* Input */
    brcm,pull = <0>; /* none */
};

程式碼實作

在CY8C9520A裝置驅動程式中，我們需要實作cygpio_pinconf_set回呼函式來組態引腳的驅動模式。以下是該函式的範例程式碼：

static int cygpio_pinconf_set(struct pinctrl_dev *pctldev, unsigned int pin,
                              unsigned long *configs, unsigned int num_configs)
{
    struct cy8c9520a *cygpio = pinctrl_dev_get_drvdata(pctldev);
    struct i2c_client *client = cygpio->client;
    enum pin_config_param param;
    u32 arg;
    int ret = 0;
    int i;
    u8 offs = 0;
    u8 val = 0;
    u8 port = cypress_get_port(pin);
    u8 pin_offset = cypress_get_offs(pin, port);

    mutex_lock(&cygpio->lock);
    for (i = 0; i < num_configs; i++) {
        param = pinconf_to_config_param(configs[i]);
        arg = pinconf_to_config_argument(configs[i]);
        switch (param) {
        case PIN_CONFIG_BIAS_PULL_UP:
            offs = 0x0;
            break;
        case PIN_CONFIG_BIAS_PULL_DOWN:
            offs = 0x01;
            break;
        case PIN_CONFIG_DRIVE_STRENGTH:
            offs = 0x04;
            break;
        case PIN_CONFIG_BIAS_HIGH_IMPEDANCE:
            offs = 0x06;
            break;
        default:
            dev_err(&client->dev, "Invalid config param %04x\n", param);
            return -ENOTSUPP;
        }
        
        i2c_smbus_write_byte_data(client, REG_PORT_SELECT, port);
        ret = i2c_smbus_read_byte_data(client, REG_DRIVE_PULLUP + offs);
        val = (u8)(ret | BIT(pin_offset));
        i2c_smbus_write_byte_data(client, REG_DRIVE_PULLUP + offs, val);
    }
    mutex_unlock(&cygpio->lock);
    return ret;
}

詳細解說

  1. cygpio_pinconf_set函式：該函式負責根據傳入的組態引數設定CY8C9520A裝置的引腳組態。
  2. 引數解析：函式透過pinconf_to_config_param和pinconf_to_config_argument解析傳入的組態引數，確定需要執行的組態操作。
  3. I2C操作：函式透過I2C介面與CY8C9520A裝置進行通訊，寫入相應的暫存器以完成引腳組態。
  4. 互斥鎖保護：使用互斥鎖確保在多執行緒環境下對裝置的存取是安全的。

PWM控制在CY8C9520A裝置中的實作

CY8C9520A裝置支援PWM（Pulse Width Modulation）功能，Linux核心提供了一套PWM框架來簡化PWM控制器的實作。

PWM控制器驅動程式實作

首先，需要初始化pwm_chip結構體，該結構體定義了PWM控制器的屬性和操作方法：

cygpio->pwm_chip.dev = &client->dev;
cygpio->pwm_chip.ops = &cy8c9520a_pwm_ops;
cygpio->pwm_chip.base = PWM_BASE_ID;
cygpio->pwm_chip.npwm = NPWM;

其中，cy8c9520a_pwm_ops結構體包含了PWM通道的操作方法：

static const struct pwm_ops cy8c9520a_pwm_ops = {
    .request = cy8c9520a_pwm_request,
    .config = cy8c9520a_pwm_config,
    .enable = cy8c9520a_pwm_enable,
    .disable = cy8c9520a_pwm_disable,
};

詳細解說

  1. cy8c9520a_pwm_ops結構體：定義了PWM通道的操作方法，包括請求、組態、啟用和停用PWM通道。
  2. cygpio->pwm_chip初始化：設定了PWM控制器的裝置、操作方法、基址和PWM通道數量等屬性。
  3. 裝置樹組態：需要在裝置樹中新增PWM相關的組態，例如：

#pwm-cells = <2>; pwm0 = <20>; // pwm not supported pwm1 = <3>; pwm2 = <20>; // pwm not supported pwm3 = <2>;


## CY8C9520A 驅動程式開發：處理中斷與 PWM 控制
在 Linux 驅動程式開發中，處理硬體中斷和 PWM（脈寬調變）控制是重要的課題。本文將探討如何在 CY8C9520A 驅動程式中處理中斷，並實作 PWM 控制功能。

### 硬體概述與驅動程式架構
CY8C9520A 是一款由 Cypress（現為 Infineon 旗下）生產的 I2C 介面 GPIO 擴充套件晶片，支援多個 GPIO 腳位和 PWM 功能。該晶片廣泛應用於嵌入式系統和物聯網裝置中，用於擴充套件主控器的 GPIO 功能。

#### 驅動程式主要結構
驅動程式的核心結構 `struct cy8c9520a` 包含多個重要成員：
```c
struct cy8c9520a {
    struct i2c_client *client;
    struct gpio_chip gpio_chip;
    struct irq_chip irq_chip;
    struct pwm_chip pwm_chip;
    // 其他成員...
};

這些成員分別對應 I2C 使用者端、GPIO 控制、IRQ（中斷請求）處理和 PWM 控制等功能。

中斷處理實作

CY8C9520A 支援中斷功能，可用於檢測 GPIO 狀態變化。在驅動程式中，中斷處理需要以下步驟：

  1. 註冊中斷處理函式

    • 使用 request_threaded_irq 函式註冊中斷處理函式。
    • 中斷處理函式負責讀取中斷狀態暫存器，並根據需要觸發對應的事件。

  2. 組態中斷遮罩

    • 使用 device_property_read_u32 函式讀取裝置樹中的中斷組態。
    • 設定中斷遮罩暫存器，啟用或停用特定 GPIO 的中斷功能。

程式碼範例：中斷處理函式

static irqreturn_t cy8c9520a_irq_handler(int irq, void *data)
{
    struct cy8c9520a *cygpio = data;
    // 讀取中斷狀態並處理
    // ...
    return IRQ_HANDLED;
}

內容解密：

  1. cy8c9520a_irq_handler 是中斷處理函式，當 CY8C9520A 發生中斷時被呼叫。
  2. 該函式接收兩個引數：irq（中斷號）和 data（指向 struct cy8c9520a 結構的指標）。
  3. 在函式內部，讀取 CY8C9520A 的中斷狀態暫存器，以確定觸發中斷的 GPIO 腳位。
  4. 根據中斷來源執行對應的處理邏輯，例如通知應用層或執行其他必要的操作。

PWM 控制實作

CY8C9520A 支援多個 PWM 通道，可用於控制 LED 亮度、馬達速度等應用。PWM 控制涉及以下步驟：

  1. 解析裝置樹組態

    • 從裝置樹讀取 PWM 通道的組態，包括對應的 GPIO 腳位和 PWM 引數。

  2. 初始化 PWM 晶片

    • 使用 pwmchip_add 函式註冊 PWM 晶片。
    • 組態 PWM 時鐘源和預分頻器，以設定 PWM 的基本頻率。

程式碼範例：PWM 組態

/* parse the DT to get the pwm-pin mapping */
for (i = 0; i < NPWM; i++) {
    ret = device_property_read_u32(&client->dev, name[i], &tmp);
    if (!ret)
        cygpio->pwm_number[i] = tmp;
    else
        goto err;
};

內容解密：

  1. 此段程式碼遍歷所有 PWM 通道（數量由 NPWM 定義），從裝置樹讀取對應的組態資訊。
  2. 使用 device_property_read_u32 從裝置樹讀取特定屬性值，並將其儲存到 cygpio->pwm_number[i] 中。
  3. 如果讀取失敗（ret != 0），則跳轉到錯誤處理標籤 err。

Pin Control 子系統整合

CY8C9520A 驅動程式還需要與 Linux 的 Pin Control 子系統整合，以支援更靈活的 GPIO 組態。驅動程式實作了 pinctrl_ops 結構體，以提供 Pin Control 相關的操作介面。

程式碼範例：Pin Control 操作

static const struct pinctrl_ops cygpio_pinctrl_ops = {
    .get_groups_count = cygpio_pinctrl_get_groups_count,
    .get_group_name = cygpio_pinctrl_get_group_name,
    .get_group_pins = cygpio_pinctrl_get_group_pins,
    // 其他操作...
};

內容解密：

  1. cygpio_pinctrl_ops 定義了 Pin Control 子系統的操作介面。
  2. .get_groups_count、get_group_name 和 .get_group_pins 分別用於取得群組數量、群組名稱和群組中的 Pin。
  3. 這些操作介面使驅動程式能夠與 Linux 的 Pin Control 子系統無縫整合，提供更靈活的 GPIO 組態選項。

裝置驅動程式中的中斷處理（七）- Cypress CY8C9520A GPIO 驅動分析

在 Linux 核心中，裝置驅動程式扮演著硬體與作業系統之間的橋樑角色。其中，GPIO（通用輸入/輸出）驅動程式是常見的一種，用於控制裝置的輸入輸出操作。本文將探討 Cypress CY8C9520A 這款 GPIO 擴充套件晶片的驅動程式實作，特別是在中斷處理方面的相關內容。

CY8C9520A 驅動架構

CY8C9520A 是一款透過 I2C 介面擴充套件 GPIO 的裝置，其驅動程式主要涉及以下幾個關鍵部分：

  1. Pin Control 架構整合：驅動程式實作了 Linux Pin Control 子系統的相關介面，使得 CY8C9520A 的 GPIO 可以被靈活地組態和管理。
  2. GPIO 操作實作：提供了 struct gpio_chip 結構體所需的回呼函式，用於實作 GPIO 的基本操作，如讀取輸入值、設定輸出值以及組態方向等。
  3. I2C 通訊處理：由於 CY8C9520A 是透過 I2C 介面與主控器通訊，驅動程式中使用了 I2C 相關的 API（如 i2c_smbus_read_byte_data 和 i2c_smbus_write_byte_data）來進行資料傳輸。

Pin Configuration 操作實作

驅動程式中的 cygpio_pinconf_set 函式負責處理 Pin Configuration 的設定請求。該函式會根據傳入的引數來組態指定的 GPIO Pin，例如設定上拉/下拉電阻、驅動強度等。

static int cygpio_pinconf_set(struct pinctrl_dev *pctldev, unsigned int pin,
                              unsigned long *configs, unsigned int num_configs)
{
    // ...
    for (i = 0; i < num_configs; i++) {
        param = pinconf_to_config_param(configs[i]);
        arg = pinconf_to_config_argument(configs[i]);
        switch (param) {
        case PIN_CONFIG_BIAS_PULL_UP:
            // 設定上拉電阻
            offs = 0x0;
            dev_info(&client->dev, "The pin %d drive mode is PIN_CONFIG_BIAS_PULL_UP\n", pin);
            break;
        case PIN_CONFIG_BIAS_PULL_DOWN:
            // 設定下拉電阻
            offs = 0x01;
            dev_info(&client->dev, "The pin %d drive mode is PIN_CONFIG_BIAS_PULL_DOWN\n", pin);
            break;
        // ...
        }
        // 透過 I2C 寫入組態到 CY8C9520A
        ret = i2c_smbus_write_byte_data(client, REG_DRIVE_PULLUP + offs, val);
        if (ret < 0) {
            dev_err(&client->dev, "can't set drive mode port %u\n", port);
            goto end;
        }
    }
end:
    mutex_unlock(&cygpio->lock);
    return ret;
}

內容解密：

  1. cygpio_pinconf_set 函式的作用：該函式用於組態 CY8C9520A 的 GPIO Pin 的各種引數，如上拉/下拉電阻和驅動強度等。
  2. 引數解析：函式中透過迴圈處理多個組態請求，每次迭代都會解析出組態引數和對應的值。
  3. switch-case 結構：根據不同的組態引數型別（如上拉/下拉電阻），決定如何設定 CY8C9520A 的暫存器。
  4. I2C 通訊：使用 i2c_smbus_write_byte_data 將組態寫入 CY8C9520A 對應的暫存器中，以完成實際的硬體組態。

GPIO 操作實作

驅動程式實作了 struct gpio_chip 結構體所需的多個回呼函式，包括 cy8c9520a_gpio_get、cy8c9520a_gpio_set 和 cy8c9520a_gpio_direction_output 等，用於支援 GPIO 的基本操作。

static int cy8c9520a_gpio_get(struct gpio_chip *chip, unsigned int gpio)
{
    // ...
    mutex_lock(&cygpio->lock);
    ret = i2c_smbus_read_byte_data(cygpio->client, in_reg);
    if (ret < 0) {
        dev_err(chip->parent, "can't read input port %u\n", in_reg);
    }
    mutex_unlock(&cygpio->lock);
    return !!(ret & BIT(cypress_get_offs(gpio, port)));
}

內容解密：

  1. cy8c9520a_gpio_get 函式的作用：讀取指定 GPIO Pin 的輸入值。
  2. 鎖機制：使用 mutex_lock 和 mutex_unlock 確保對 I2C 裝置的存取是執行緒安全的。
  3. I2C 讀取操作：透過 i2c_smbus_read_byte_data 從 CY8C9520A 的輸入暫存器中讀取資料。
  4. 結果處理：將讀取到的值進行位元運算，以確定對應 GPIO Pin 的狀態。

此圖示

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam defaultTextAlignment center
skinparam rectangleBackgroundColor #F5F5F5
skinparam rectangleBorderColor #333333
skinparam arrowColor #333333

title 此圖示

rectangle "I2C 通訊" as node1
rectangle "GPIO 操作" as node2
rectangle "Pin Control" as node3

node1 --> node2
node2 --> node3

@enduml

圖示說明：

  • CY8C9520A 是透過 I2C 與 Linux 核心 通訊的 GPIO 擴充套件裝置。
  • Linux 核心 提供 GPIO 操作介面給 應用程式 使用。
  • Linux 核心 中的 pinctrl 子系統 負責管理 Pin 的組態。

這張圖清晰地展示了 CY8C9520A 裝置與 Linux 系統之間的互動關係，以及各個元件在系統中的角色。

玄貓 BlackCat

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。