GPIO系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)解析

作為一個(gè)工作多年的系統(tǒng)工程師，免不了做兩件事情：培訓(xùn)新員工和給新員工分配任務(wù)。對(duì)于那些剛剛從學(xué)校出來(lái)的學(xué)生，一般在開(kāi)始的時(shí)候總是分配一些非常簡(jiǎn)單的任務(wù)，例如GPIO driver、LED driver。往往CPU datasheet的關(guān)于GPIO或者IO ports的章節(jié)都是比較簡(jiǎn)單的，非常適合剛?cè)胄械墓こ處?。雖然GPIO子系統(tǒng)相關(guān)的硬件比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的協(xié)議，不過(guò)，對(duì)于軟件抽象而言，其分層次的軟件思想是每個(gè)嵌入式軟件工程師需要掌握的內(nèi)容。

個(gè)人更傾向使用GPIO系統(tǒng)這個(gè)名字來(lái)代替GPIO driver這個(gè)名字，GPIO driver僅僅包含了pin signal狀態(tài)控制和讀取的內(nèi)容，而GPIO系統(tǒng)包括了pin multiplexing、pin configuration、GPIO control、GPIO interrupt control等內(nèi)容。

一、GPIO相關(guān)硬件有哪些差異

嵌入式工程師總是要處理各種各樣的target board，每個(gè)target board上的GPIO總是存在不同，例如：

1、和CPU的連接方式不同

對(duì)于ARM的嵌入式硬件平臺(tái)，SOC本身可以提供大量的IO port，SOC上的GPIO controller是通過(guò)SOC的總線（AMBA）連接到CPU的。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，除了SOC的IO port，一些外設(shè)芯片也可能會(huì)提供IO port，例如：

（1）有些key controller芯片、codec或者PMU的芯片會(huì)提供I/O port

（2）有些專用的IO expander芯片可以擴(kuò)展16個(gè)或者32個(gè)GPIO

從硬件角度看，這些IO和SOC提供的那些IO完全不同，CPU和IO expander是通過(guò)I2C（也有可能是SPI等其他類型的bus）連接的，在這種情況下，訪問(wèn)這些SOC之外的GPIO需要I2C的操作，而控制SOC上的GPIO只需要寫(xiě)寄存器的操作。不要小看這個(gè)不同，寫(xiě)一個(gè)SOC memory map的寄存器非?？欤峭ㄟ^(guò)I2C來(lái)操作IO就不是那么快了，甚至，如果總線繁忙有可能阻塞當(dāng)前進(jìn)程，這種情況下，內(nèi)核同步機(jī)制必須有所區(qū)別（如果操作GPIO可能導(dǎo)致sleep，那么同步機(jī)制不能采用spinlock）。

2、訪問(wèn)方式不同

SOC片內(nèi)的GPIO controller和SOC片外的IO expander的訪問(wèn)當(dāng)然不一樣，不過(guò)，即便都是SOC片內(nèi)的GPIO controller，不同的ARM芯片，其訪問(wèn)方式也不完全相同，例如：有些SOC的GPIO controller會(huì)提供一個(gè)寄存器來(lái)控制輸出電平。向寄存器寫(xiě)1就是set high，向寄存器寫(xiě)0就是set low。但是有些SOC的GPIO controller會(huì)提供兩個(gè)寄存器來(lái)控制輸出電平。向其中一個(gè)寄存器寫(xiě)一就是set high，向另外一個(gè)寄存器寫(xiě)一就是set low。

3、配置方式不同

即便是使用了同樣的硬件（例如都使用同樣的某款SOC），不同硬件系統(tǒng)上GPIO的配置不同。在一個(gè)系統(tǒng)上配置為輸入，在另外的系統(tǒng)上可能配置為輸出。

4、GPIO特性不同。這些特性包括：

（1）是否能觸發(fā)中斷。對(duì)一個(gè)SOC而言，并非所有的IO port都支持中斷功能，可能某些處理器只有一兩組GPIO有中斷功能。

（2）如果能夠觸發(fā)中斷，那么該GPIO是否能夠?qū)PU從sleep狀態(tài)喚醒

（3）有些有軟件可控的上拉或者下拉電阻的特性，有的GPIO不支持這種特性。在設(shè)定為輸入的時(shí)候，有的GPIO可以設(shè)定debouce的算法，有的則不可以。

5、多功能復(fù)用

有的GPIO就是單純的作為一個(gè)GPIO出現(xiàn)，有些GPIO有其他的復(fù)用的功能。例如IO expander上的GPIO只能是GPIO，但是SOC上的某個(gè)GPIO除了做普通的IO pin腳，還可以是SPI上clock信號(hào)線。

二、硬件功能分類

ARM based SOC的datasheet中總有一個(gè)章節(jié)叫做GPIO controller（或者I/O ports）的章節(jié)來(lái)描述如何配置、使用SOC的引腳。雖然GPIO controller的硬件描述中充滿了大量的寄存器的描述，但是這些寄存器的功能大概分成下面三個(gè)類別：

1、有些硬件邏輯是和IO port本身的功能設(shè)定相關(guān)的，我們稱這個(gè)HW block為pin controller。軟件通過(guò)設(shè)定pin controller這個(gè)硬件單元的寄存器可以實(shí)現(xiàn)：

（1）引腳功能配置。例如該I/O pin是一個(gè)普通的GPIO還是一些特殊功能引腳（例如memeory bank上CS信號(hào)）。

（2）引腳特性配置。例如pull-up/down電阻的設(shè)定，drive-strength的設(shè)定等。

2、如果一組GPIO被配置成SPI，那么這些pin腳被連接到了SPI controller，如果配置成GPIO，那么控制這些引腳的就是GPIO controller。通過(guò)訪問(wèn)GPIO controller的寄存器，軟件可以：

（1）配置GPIO的方向

（2）如果是輸出，可以配置high level或者low level

（3）如果是輸入，可以獲取GPIO引腳上的電平狀態(tài)

3、如果一組gpio有中斷控制器的功能，雖然控制寄存器在datasheet中的I/O ports章節(jié)描述，但是實(shí)際上這些GPIO已經(jīng)被組織成了一個(gè)interrupt controller的硬件block，它更像是一個(gè)GPIO type的中斷控制器，通過(guò)訪問(wèn)GPIO type的中斷控制器的寄存器，軟件可以：

（1）中斷的enable和disable（mask和unmask）

（2）觸發(fā)方式

（3）中斷狀態(tài)清除

三、如何通過(guò)軟件抽象來(lái)掩蓋硬件差異

傳統(tǒng)的GPIO driver是負(fù)責(zé)上面三大類的控制，而新的linux kernel中的GPIO subsystem則用三個(gè)軟件模塊來(lái)對(duì)應(yīng)上面三類硬件功能：

（1）pin control subsystem。驅(qū)動(dòng)pin controller硬件的軟件子系統(tǒng)。

（2）GPIO subsystem。驅(qū)動(dòng)GPIO controller硬件的軟件子系統(tǒng)。

（3）GPIO interrupt chip driver。這個(gè)模塊是作為一個(gè)interrupt subsystem中的一個(gè)底層硬件驅(qū)動(dòng)模塊存在的。本文主要描述前兩個(gè)軟件模塊，具體GPIO interrupt chip driver以及interrupt subsystem請(qǐng)參考本站其他相關(guān)文檔。

1、pin control subsystem block diagram

下圖描述了pin control subsystem的模塊圖：

底層的pin controller driver是硬件相關(guān)的模組，初始化的時(shí)候會(huì)向pin control core模塊注冊(cè)pin control設(shè)備（通過(guò)pinctrl_register這個(gè)bootom level interface）。pin control core模塊是一個(gè)硬件無(wú)關(guān)模塊，它抽象了所有pin controller的硬件特性，僅僅從用戶（各個(gè)driver就是pin control subsystem的用戶）角度給出了top level的接口函數(shù)，這樣，各個(gè)driver不需要關(guān)注pin controller的底層硬件相關(guān)的內(nèi)容。

2、GPIO subsystem block diagram

下圖描述了GPIO subsystem的模塊圖：

基本上這個(gè)軟件框架圖和pin control subsystem是一樣的，其軟件抽象的思想也是一樣的，當(dāng)然其內(nèi)部具體的實(shí)現(xiàn)不一樣，我們會(huì)在后續(xù)的文章中描述。