ZedBoard Linux开发 --- GPIO驱动详解

本来这是要作为ZedBoard Linux的第一个学习实例，不过由于一开始实在找不到内核中针对ZedBoard GPIO具体操作的代码在哪里，所以只能先从OLED开始看起，在学习完OLED驱动之后有了不少发现，比如OLED驱动中就有使用GPIO的操作，后来发现这些操作都被Linux内核中的GPIOLIB库管理着，相关的文档在Documentation/gpio.txt中有介绍，通读一遍之后就会有不少发现的，相关的GPIOLIB库文件位于drivers/gpio/gpio-lib.c文件中，不过这部分文件只是提供了库函数，而真正在ZedBoard启动时进行GPIO注册管理的文件是drivers/gpio/gpio-xilinxps.c，可以在这个文件中找到这样一个宏定义：

#define XGPIOPS_NR_GPIOS 118

这里一共注册了118个GPIO口，看看Datasheet就知道这里的意思应该是MIO[0:53]+EMIO[54:117]，也就是54个MIO加上64个EMIO，看到这里我还是有一些疑问，因为并不是所有的IO口都作为GPIO来使用的，有很大一部分是进行IO复用的，下面是我在XPS中的MIO配置截图：

可以看到MIO中真正作为GPIO口使用的也就只有MIO[0,7,9:15,50:51]，我当时就有疑问：如果我在Linux中申请了这一部分被复用的GPIO，这会不会与正在复用的那些功能起冲突？（至少在MCU中有很多复用功能是在配置了GPIO方向之后才能正常复用的）后来看来一下zynq的UG585手册，找到了下面这张图才解决了问题：

可以看到所有GPIO与其他复用的功能最后都是经过MIO网络路由到外部的GPIO端口的，也就是说即使在相应的GPIO寄存器中配置了GPIO的功能，那么这部分功能也不会生效！而配置这些复用功能的寄存器是在slcr（System Level Control Registers）寄存器中操作的，可以在UG585上找到这些寄存器具体的参数：

而在Digilent Linux内核中，slcr相关的文件可以在linux-digilent/arch/arm/mach-zynq/slcr.c中找到。另外除了MIO，还有
EMIO的配置，可以在上面的截图中看到XPS中配置了60个EMIO，并且在xps的ucf文件中可以找到配置相关注释：

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# #

# GPIO Interface #

# #

#############################################################

………………………………

############################

# #

# On-board OLED #

# #

# Voltage control and #

# Bitbanged SPI over GPIO #

# #

############################

net processing_system7_0_GPIO<1> LOC = U11 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # OLED-VBAT

net processing_system7_0_GPIO<2> LOC = U12 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # OLED-VDD

net processing_system7_0_GPIO<3> LOC = U9 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # OLED-RES

net processing_system7_0_GPIO<4> LOC = U10 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # OLED-DC

net processing_system7_0_GPIO<5> LOC = AB12 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # OLED-SCLK

net processing_system7_0_GPIO<6> LOC = AA12 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # OLED-SDIN

############################

# #

# On-board LED's #

# #

############################

net processing_system7_0_GPIO<7> LOC = T22 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # LD0

net processing_system7_0_GPIO<8> LOC = T21 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # LD1

net processing_system7_0_GPIO<9> LOC = U22 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # LD2

net processing_system7_0_GPIO<10> LOC = U21 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # LD3

net processing_system7_0_GPIO<11> LOC = V22 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # LD4

net processing_system7_0_GPIO<12> LOC = W22 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # LD5

net processing_system7_0_GPIO<13> LOC = U19 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # LD6

net processing_system7_0_GPIO<14> LOC = U14 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # LD7

############################

# #

# On-board Slide Switches #

# #

############################

net processing_system7_0_GPIO<15> LOC = F22 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # SW0

net processing_system7_0_GPIO<16> LOC = G22 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # SW1

net processing_system7_0_GPIO<17> LOC = H22 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # SW2

net processing_system7_0_GPIO<18> LOC = F21 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # SW3

net processing_system7_0_GPIO<19> LOC = H19 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # SW4

net processing_system7_0_GPIO<20> LOC = H18 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # SW5

net processing_system7_0_GPIO<21> LOC = H17 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # SW6

net processing_system7_0_GPIO<22> LOC = M15 | IOSTANDARD = LVCMOS33; # SW7

这里的processing_system7_0_GPIO指的的就是EMIO，所以可以看到EMIO[1:6]是用的OLED，而在GPIO寄存器配置中：

GPIO Bank0, MIO[0:31]

GPIO Bank1, MIO[32:53]

GPIO Bank2, EMIO[0:31]

GPIO Bank3, EMIO[32:63]

是顺序排列的，所以上面这里的EMIO[1:6]对应的就是GPIO[55:60]，然后我们可以在devicetree源文件中找到oled的配置：

zed_oled {

compatible = "dglnt,pmodoled-gpio" ;

/* GPIO Pins */

vbat - gpio = <& gpiops 55 0 >;

vdd - gpio = <& gpiops 56 0 >;

res - gpio = <& gpiops 57 0 >;

dc - gpio = <& gpiops 58 0 >;

/* SPI-GPIOs */

spi - bus - num = < 2 >;

spi - speed - hz = < 4000000 >;

spi - sclk - gpio = <& gpiops 59 0 >;

spi - sdin - gpio = <& gpiops 60 0 >;

};

这里面的GPIO的号码正好对应了刚才计算出来的数字，到这里也就能理解这些号码的意义了:-)（这里需要事先设置好GPIO控制器，可以在前面找到gpio-controller字段）。

但是看到这里不禁又有了另一个疑问，为什么设备树只有oled的配置，而没有led和switch的配置，这也是当初我找不到内核在哪里操作led的原因。有一次无意间在ZedBoard_Linux_Design的doc目录下的DemoFeatures.txt中发现内核中自带了这样两个命令：

SWITCHES / LEDS : Scripts are included for writing to the LEDs and reading

the state of the switches . To read the state of the switches , run the

command :

read_sw

It will return the state of the switches as both hexadecimal and decimal .

A script for changing the state of the LEDs is also included . To turn all

8 LEDs on , run one of the following two commands :

write_led 255

write_led 0xFF

然后再仔细一看ramdisk中read_sw,write_led里面的内容：

thinki@G31T - M2 : $ cat write_led

#!/bin/sh

value=$(($1));

if [ $value - ge 0 ]; then

for i in 0 1 2 3 4 5 6 7 ;

led = $ (( $i + 61 ));

echo $ (( $value & 0x01 )) > /sys/ class / gpio / gpio$led / value ;

value = $ (( $value / 2 ));

done ;

fi ;

thinki@G31T - M2 : $ cat read_sw

#!/bin/sh

value=0;

for i in 0 1 2 3 4 5 6 7;

sw=$((76-$i));

sw_tmp=`cat /sys/class/gpio/gpio$sw/value`;

value=$(($value*2));

value=$(($value+$sw_tmp));

done;

printf "0x%x %d\n" $value $value;

可以看到这里直接操作了sysfs下面的gpio class进行LED的写和Switch的读，但是这些目录以及相关的文件并不是凭空而来的，最后在ramdisk的etc/init.d/rcS中可以找到这样一段脚本：

echo "++ Exporting LEDs & SWs"

for i in 0 1 2 3 4 5 6 7 ;

sw = $ (( $i + 69 ));

led = $ (( $i + 61 ));

echo $sw > /sys/ class / gpio / export ;

echo $led > /sys/ class / gpio / export ;

echo out > /sys/ class / gpio / gpio$led / direction ;

done ;

这才是这些目录真正的开端，启动时配置了这些，你只要Google一下sysfs gpio就可以找到一大堆东西，这里我简要介绍一下，也就是linux下gpio支持sysfs空间的操作，也就是可以绕过创建设备节点进行此操作，不过首先需要开启内核对sysfs的支持以及gpiolib对sysfs的支持，相关的代码依旧在drivers/gpio/gpiolib.c文件中，我们可以找到相关的宏：

#ifdef CONFIG_GPIO_SYSFS

这个宏下面的内容都是针对SYSFS相关的支持，这里涉及的知识比较多，需要理解Linux 2.6的设备模型相关的知识。如果是直观的操作的话，你只需要在/sys/class/gpio下进行echo XXX > export操作，不过这里XXX必须是内核支持的gpio号，比如内核启动之后在rcS脚本中echo的就是[61:68]和[69:76]，这样就会在/sys/class/gpio目录下创建gpioXXX目录，然后我们可以设置led对应的gpioXXX目录下的direction属性为out就能够设置GPIO为输出，最后只需要像write_led脚本中那样向/sys/class/gpio/gpioXXX/value echo 0或者1就可以了，最终你会看到LED灯点亮！

当然你也可以使用类似于pmodoled驱动的形式，最终以/dev目录下的设备节点来操作底层硬件，这样的话就需要注册platform驱动并且通过设备树中的节点进行匹配，可以在设备树源文件最后添加下面的配置信息：

emio - oled {

compatible = "dglnt,emioled-gpio" ;

/* GPIO Pins */

ld0 - gpio = <& gpiops 61 0 >;

ld1 - gpio = <& gpiops 62 0 >;

ld2 - gpio = <& gpiops 63 0 >;

ld3 - gpio = <& gpiops 64 0 >;

ld4 - gpio = <& gpiops 65 0 >;

ld5 - gpio = <& gpiops 66 0 >;

ld6 - gpio = <& gpiops 67 0 >;

ld7 - gpio = <& gpiops 68 0 >;

};

有时间我把我写的代码贴出来晒晒！

在platform驱动中的probe函数中来进行cdev的初始化与file_operations的设置，具体可以参考pmodoled驱动中的代码。

同时gpiolib还支持debugfs，可以查看哪些GPIO口被哪些设备分配了，不过使用之前需要先挂载debugfs，它与sysfs一样也是基于内存的文件系统：

mount - t debugfs debugfs / sys / kernel / debug

然后在板子上输出gpio文件的信息：

zynq > mount - t debugfs debugfs / sys / kernel / debug

zynq > cat / sys / kernel / debug / gpio

GPIOs 0 - 117 , platform / e000a000 . gpio , xgpiops :

zynq > mount - t debugfs debugfs / sys / kernel / debug

zynq > cat / sys / kernel / debug / gpio

GPIOs 0 - 117 , platform / e000a000 . gpio , xgpiops :

gpio - 7 ( mmc_led ) out lo

gpio - 55 ( OLED VBat ) out lo

gpio - 56 ( OLED VDD ) out lo

gpio - 57 ( OLED_RESET ) out hi

gpio - 58 ( OLED_D / C ) out hi

gpio - 59 ( spi_gpio . 2 ) out lo

gpio - 60 ( spi_gpio . 2 ) out lo

gpio - 61 ( sysfs ) out lo

gpio - 62 ( sysfs ) out lo

gpio - 63 ( sysfs ) out lo

gpio - 64 ( sysfs ) out lo

gpio - 65 ( sysfs ) out lo

gpio - 66 ( sysfs ) out lo

gpio - 67 ( sysfs ) out lo

gpio - 68 ( sysfs ) out lo

gpio - 69 ( sysfs ) in hi

gpio - 70 ( sysfs ) in lo

gpio - 71 ( sysfs ) in lo

gpio - 72 ( sysfs ) in hi

gpio - 73 ( sysfs ) in hi

gpio - 74 ( sysfs ) in lo

gpio - 75 ( sysfs ) in hi

gpio - 76 ( sysfs ) in lo

可以看到其中GPIO[55:60]被pmodoled驱动分配了，而GPIO[61:76]则是被sysfs分配了，最前面的GPIO[7]则是被linux的led驱动分配了，代码的位置是在drivers/leds/leds-gpio.c。

最终要深入的话还是建议看内核源码和文档：

drivers/gpio/gpiolib.c

Documentation/gpio.txt

参考链接：

使用 /sys 文件系统访问 Linux 内核

linux那些事之sysfs

在 Linux 下用户空间与内核空间数据交换的方式

秒客网

ZedBoard Linux开发 --- GPIO驱动详解

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