一、gpio用途

　　General Purpose Input Output （通用輸入/輸出）簡稱為GPIO，或總線擴展器，人們利用工業標準I2C、SMBus或SPI接口簡化了I/O口的擴展。當微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當系統需要采用遠端串行通信或控制時，GPIO產品能夠提供額外的控制和監視功能。

　　每個GPIO端口可通過軟件分別配置成輸入或輸出。Maxim的GPIO產品線包括8端口至28端口的GPIO，提供推挽式輸出或漏極開路輸出。提供微型3mm x 3mm QFN封裝。

　　不同系統間的GPIO的確切作用不同。通用常有下面幾種：

　　1.輸出值可寫（高=1，低=0）。一些芯片也可以選擇驅動這些值的方式，以便支持“線-或”或類似方案（開漏信號線）。

　　2.輸入值可讀（1，0）。一些芯片支持輸出管腳回讀，這在線或的情況下非常有用（以支持雙向信號線）。GPIO控制器可能具有一個輸入防故障/防反跳邏輯，有時還會有軟件控制。

　　3.輸入經常被用作中斷信號，通常是邊沿觸發，但也有可能是電平觸發。這些中斷可以配置為系統喚醒事件，從而將系統從低功耗模式喚醒。

　　4.一個GPIO經常被配置為輸入/輸出雙向，根據不同的產品單板需求，但也存在單向的情況。

　　5.大多是GPIO可以在獲取到spinlock自旋鎖時訪問，但那些通過串行總線訪問的通常不能如此操作（休眠的原因）。一些系統中會同時存在這兩種形式的GPIO。

　　6.在一個給定單板上，每個GPIO用于一個特定的目的，如監控MMC/SD卡的插入/移除，檢查卡寫保護狀態，驅動LED，配置發送器，串行總線位拆，觸發一個硬件看門狗，觸發一個開關之類的。

　　二、gpio優點

　　低功耗：GPIO具有更低的功率損耗（大約1μA，μC的工作電流則為100μA）。

　　集成IIC從機接口：GPIO內置IIC從機接口，即使在待機模式下也能夠全速工作。

　　小封裝：GPIO器件提供最小的封裝尺寸 ― 3mm x 3mm QFN！

　　低成本：您不用為沒有使用的功能買單。

　　快速上市：不需要編寫額外的代碼、文檔，不需要任何維護工作。

　　靈活的燈光控制：內置多路高分辨率的PWM輸出。

　　可預先確定響應時間：縮短或確定外部事件與中斷之間的響應時間。

　　更好的燈光效果：匹配的電流輸出確保均勻的顯示亮度。

　　布線簡單：僅需使用2條就可以組成IIC總線或3條組成SPI總線。

　　與ARM 的幾組GPIO引腳，功能相似，GPxCON 控制引腳功能，GPxDAT用于讀寫引腳數據。另外，GPxUP用于確定是否使用上拉電阻。 x為A，B，，H/J，

　　GPAUP 沒有上拉電阻。

　　三、GPIO系統結構

　　如前面提醒的一樣，一個可選的實現結構使得平臺支持不同種類的GPIO控制器使用同一個編程接口變得簡單。這個結構稱為gpiolib。

　　作為一個調試目的，如果debugfs有效，一個/sys/kernel/debug/gpio文件在那里將被找到。它列出了所有的通過這個結構注冊的GPIO控制器，和GPIO當前的使用狀態。

　　Controller Drivers： gpio_chip

　　控制器驅動：gpio_chip

　　在這個架構中，每個GPIO控制器被封裝為一個“gpio_chip”結構體，此結構體中包含了每個控制器的通用信息：

　　--確定GPIO方向的方法

　　--存取GPIO值的方法

　　--聲明方法是否休眠的flag

　　--可選的debugfs dump方法（展現附加的狀態如上拉配置等）

　　--用于診斷目的的標簽

　　每個實例也有自己的私有數據，可能來自device.platform_data：它的第一個GPIO和它暴露幾個GPIO.

　　實現一個gpio_chip的代碼應該支持多個控制器的實例，可能使用驅動模型。代碼會配置每個gpio_chip并且執行gpiochip_add（）。移除一個GPIO控制器是少見的，使用gpio_remove（）移除一個不再有效的GPIO控制器。

　　大多數時候，一個gpio_chip是一個實例獨有的結構，它的一些狀態值不暴露給GPIO接口，如編址、電源管理等等。編碼解碼器之類的芯片會有復雜的非GPIO狀態。

　　所有的debugfs dump 方式通常應該忽略那些未作為GPIO請求的信號。他們可以使用gpiochip_is_requested（），此函數返回與GPIO相關的label或是NULL。

　　平臺支持

　　為了支持這個結構，一個平臺的Kconfig需要選擇ARCH_REQUIRE_GPIOLIB或是ARCH_WANT_OPTIONAL_GPIOLIB之一，且安排的它的《asm/gpio.h》包含《asm-generic/gpio.h》并且定義3個函數gpio_get_value（）， gpio_set_value（）， 和 gpio_cansleep（）。

　　他也可以提供一個自定義的值：ARCH_NR_GPIOS，以便能更好的反映平臺實際使用的GPIO數目，并不浪費靜態區域空間。（它應該計數 內建/SOC GPIO和GPIO擴展器擴展的數目）

　　ARCH_REQUIRE_GPIOLIB意味著此平臺上gpiolib代碼將永久編譯進內核

　　ARCH_WANT_OPTIONAL_GPIOLIB意味著gpiolib代碼默認是關閉的，用于可以使能它并且將它可選的編譯進內核。

　　如果這些選項都未被選上，平臺不能通過GPIO-lib支持GPIO，這些代碼也不能被用戶使能。

　　那些函數瑣細的實現可以直接使用架構代碼，它們經常通過gpio_chip分配：

　　#define gpio_get_value__gpio_get_value

　　#define gpio_set_value__gpio_set_value

　　#define gpio_cansleep__gpio_cansleep

　　愛好者實現可以代替定義他們使用內聯函數，使用邏輯優化存取特定的基于SOC的GPIO。例如，如果 引用的GPIO是常數“12”，getting或setting它的值可能只需要2個或3個指令，且從不休眠。如果這樣一個優化是不可能的話，這些調用實現必須委托給架構代碼，它會耗費至少幾十個指令。為了位拆型I/O，這些指令的節約是有相當大的意義的。

　　對于SOC來說，平臺特定的代碼為每個bank的片上GPIO定義和注冊了gpio_chip實例。那些GPIO應該被編號和打上標簽以匹配芯片廠商文檔，且直接匹配單板設計圖。他們可以從零開始一直到平臺特定的限制。這些GPIO通常集成到單板初始化過程中以使得它們總是有效的，從arch_initcall（）到更早，它們總是可以為中斷服務。

　　板級支持

　　對于外部GPIO控制器（如I2C或SPI擴展）、ASIC、多功能器件、FPGA或是CPLD，通常單板私有代碼例程注冊控制器器件且確定它們的驅動使用什么GPIO號來調用gpiochip_add。它們的號碼經常在平臺特定GPIO之后開始。

　　例如，單板setup代碼可以創建結構標示芯片想要暴露的GPIO的范圍，且使用platform_data傳遞它們到每個GPIO擴展器芯片。這樣芯片驅動的probe（）歷程可以傳遞這些數據到gpiochip_add（）。

　　初始化順序是很重要的。例如當一個依賴于基于I2C的GPIO的設備，它的probe（）例程應該僅能在GPIO有效后調用。這意味著設備不能在GPIO可以工作之前注冊。一個解決這樣依賴的方法是在板級特定代碼中，對于這種gpio_chip控制器來提供setup（）和teardown（）回調，這些板級特定的回調將注冊設備一旦所有的需要資源有效時，并且在GPIO控制器無效時將它們移除。

　　用戶空間的Sysfs接口（可選）

　　使用gpiolib實現結構的平臺可以選擇為GPIO配置一個sysfs用戶接口。這與debugfs接口不同，因為它提供了覆蓋GPIO方向和值的控制而不只是顯示一個gpio狀態信息摘要。另外，它可以在產品系統中提供而不需要調試支持。

　　為系統給出對應的硬件文檔，用戶空間可以知道例如GPIO#23控制著保護線，用于保護flash中的boot區域。系統升級程序可能需要臨時移除這個保護，首先引入一個GPIO，然后改變它的輸出狀態，接下來在重新使能寫保護之前升級代碼。通常用法中，GPIO#23將不會被觸碰，并且內核也不需知道它的信息。

　　同樣依靠一個合適的硬件文檔，在一些系統用戶空間，GPIO可以被用于決定那些內核并不關心的系統配置數據。對于一些任務，簡單用戶空間GPIO驅動是系統真正需要的

　　注意，針對通用“LED和按鈕”的標準內核驅動存在對應的GPIO任務“leds-gpio”和“gpio-keys”。使用它們代替直接與GPIO通話，它們集成在內核架構比你的用戶態代碼可能更好。

　　Paths in Sysfs

　　Sysfs路徑

　　There are three kinds of entry in /sys/class/gpio：

　　/sys/class/gpio有3個入口條目：

　　-控制接口用于用戶空間獲取GPIO控制

　　-GPIO自己

　　-GPIO控制器（“gpio_chip”實例）

　　這是對于標準文件的補充，包括“device”符號

　　控制接口是只寫的：

　　/sys/class/gpio/

　　“export” ————通過寫GPIO的號碼到此文件，用戶空間可以要求內核導出一個GPIO的控制到用戶空間

　　例如：“echo 19 》 export”將創建一個GPIO #19的“gpio19”節點（假設內核代碼未申請此GPIO號）。

　　“unexport”————與“export”效果相反

　　例如：“echo 19 》 unexport”將移除一個由“export”文件導出的“gpio19”節點。

　　GPIO信號擁有如/sys/class/gpio/gpio42/（對應于GPIO#42）的路徑，并且具有下列讀寫屬性：

　　/sys/class/gpio/gpioN/

　　“direction”————讀為“in”或是“out”。這個值通常可寫。寫“out”默認初始化此值為低。為了確定無障礙操作，值“low”和“high”可以被寫入以配置GPIO的輸出初始化值。

　　注意這個屬性“將不存在”如果內核不支持改變一個GPIO的方向，或者它不能被內核代碼導出（不能顯式的允許用戶空間來重新配置GPIO的選項。）

　　“value”—————讀作“0”（低）或“1”（高）。如果GPIO被配置為一個輸出，這個值可寫;任何非零值均被視為高。

　　如果管腳可以被配置為中斷產生中斷管腳，且如果它已經被配置為產生中斷（參考“edge”描述），你可以poll（2）此文件并且當中斷觸發時poll（2）將返回。如果你使用了poll（2），設置POLLPRI和POLLERR事件。如果你使用select（2），在exceptfds中設置文件描述符。在poll（2）返回之后，有兩個選擇一是lseek（2）到sysfs文件的開始且讀新的值，另一個是關閉文件且重打開它來讀取新的值。（為何這樣設置？）

　　“edge”————讀作“none”、“rising”、“falling”或是“both”。寫這些字符串以選擇邊沿信號，他將使得“value”文件上的poll（2）操作返回。

　　這個文件只在管腳可以配置為中斷產生輸入管腳時存在。

　　“active_low”————讀為0（false）或1（true）。寫任何非零值都會反轉讀或寫的值。目前和后來的poll（2）支持經由edge屬性配置為“rising”或“falling”上升沿或下降沿將遵循這個設置。

　　GPIO控制器具有如/sys/class/gpio/gpiochip42/（針對控制器，實現GPIO開始于#42）的路徑，且具有下列制度屬性：

　　/sys/class/gpio/gpiochipN/

　　“base”————與N相等，是第一個被此芯片管理的GPIO

　　“label”————提供用于診斷（并不總是獨一無二的）

　　“ngpio”————管理的GPIO數（N到N+ngpio-1）

　　大多數情況下，單板文檔應該提供GPIO的使用目的。雖然如此這些號碼并非總是固定的，一個子板上的GPIO可能與基礎板使用的不同。此種情況下，你可能需要使用gpiochip節點（可能與設計結合）來為每個信號決定正確的GPIO號碼。

　　從內核代碼中導出

　　內核代碼可以顯式管理那些使用gpio_request（）申請的GPIO的導出

　　/* export the GPIO to userspace */

　　int gpio_export（unsigned gpio， bool direction_may_change）;

　　/* reverse gpio_export（） */

　　void gpio_unexport（）;

　　/* create a sysfs link to an exported GPIO node */

　　int gpio_export_link（struct device *dev， const char *name，

　　unsigned gpio）

　　/* change the polarity of a GPIO node in sysfs */

　　int gpio_sysfs_set_active_low（unsigned gpio， int value）;

　　一個內核驅動申請一個GPIO后，它可以使用gpio_export（）使得sysfs接口有效。驅動可以控制信號方向是否可以改變。這使得驅動可以防止用戶空間代碼不小心沖擊重要的系統狀態。

　　明確的exporting有助于調試（使得一些實驗更簡單），或是提供一個總是可以使用的接口，適合于bsp文檔。

　　GPIO被導出后，gpio_export_link（）允許在sysfs的任何地方創建GPIO sysfs節點的符號鏈接。驅動可以用此在它們自己設備sysfs目錄下提供指定名字的接口（鏈接到GPIO節點）

　　驅動可以使用gpio_sysfs_set_active_low（）隱藏GPIO在用戶空間和單板之間的線極性不同。這僅影響sysfs接口。極性變換可以在gpio_export（）之前和之后完成，并且前面使能的poll（2） （支持上升沿或下降沿事件）將被重新配置為遵循此設置。

　　四、GPIO使用方法

　　要使用GPIO，系統首先要分配一個GPIO，使用gpio_request（） 為系統分配一個GPIO。

　　接下來要做的一件事是標示GPIO的方向，通常在使用GPIO建立一個platform_device時（位于單板的setup代碼中）：

　　/* set as input or output， returning 0 or negative errno */

　　int gpio_direction_input（unsigned gpio）;

　　int gpio_direction_output（unsigned gpio， int value）;

　　返回0標示成功，或是一個負的errno錯誤碼。它應該被檢查，因為get/set調用沒有錯誤返回，且可能會有錯誤配置。你通常應該在線程上下文中使用這些調用。雖然如此，對于spinlock-safe的GPIO，在tasking使能之前使用也是可以的，作為一個早期的單板建立。

　　對于輸出GPIO，value參數提供了初始輸出值。這有助于避免系統啟動過程中的信號干擾。

　　為了與GPIO早期的接口兼容，設置一個GPIO的方向，隱性要求申請GPIO。這個兼容性從可選的gpiolib架構中移除了。

　　如果GPIO號碼無效或是指定的GPIO不能使用對應模式操作的話，設置方向會失敗。依靠boot固件設置好GPIO的方向通常不是一個好主意，因為boot的功能可能沒有通過驗證（除了boot linux）。（類似的，單板setup代碼可能需要將管腳復用為一個GPIO，和配置為合適的上拉/下拉。）

　　Spinlock-Safe GPIO訪問

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　　大多數GPIO控制器可以使用內存讀寫指令訪問。它們不需要休眠，且可以從內部硬件中斷處理（非線程）和類似的上下文環境安全完成。

　　使用下列調用訪問這些GPIO，此時gpio_cansleep將總是返回錯誤

　　/* GPIO INPUT： return zero or nonzero */

　　int gpio_get_value（unsigned gpio）;

　　/* GPIO OUTPUT */

　　void gpio_set_value（unsigned gpio， int value）;

　　其中，value是一個布爾型參數，零表示低，非零表示高。當讀一個輸出管腳的值時，返回的值應該是在管腳上看到的值。。。這并不總是與指定輸出值相匹配的，因為存在開漏信號和輸出延遲問題。

　　get/set調用沒有錯誤返回，因為“無效GPIO”應該已經由gpio_direction_*（）提早報告了。雖然如此，并非所有的平臺都可以讀取輸出管腳的值，那些不能讀的應該總是返回零。同時，對那些可能導致睡眠的GPIO使用這些接口是一個錯誤。

　　平臺的特定實現被鼓勵優化這兩個調用以獲取GPIO值。在那些GPIO號碼是常量的情況下，它們通常只需一對指令（讀或寫一個硬件寄存器）訪問，且不需要spinlock。這樣的優化可以使位拆分應用更有效率（在時間和空間上）（相比較于花費一堆指令在子例程調用來說）。