linux驱动的分层和分离设计理念前瞻
前面我们写的dts的led驱动，本质上只是一个简单的基于裸机的驱动模块，并没有真正使用到linux的驱动系统。
像gpio这种最基本的驱动，linux内核不是采用这种原始的裸机驱动开发的方式，而是提供了pinctrl和gpio子系统用于gpio驱动。
Linux 驱动讲究驱动分离与分层，pinctrl 和 gpio 子系统就是驱动分离与分层思想下的产物
驱动分离与分层其实就是按照面向对象编程的设计思想而设计的设备驱动框架，关于驱动的分离与分层我们后面会讲
前面我们编写的驱动，包括裸机的gpio驱动，stm32的驱动，有这么几个步骤：
- CCM使能外设时钟
- 设置PIN（IOMUXC）
linux内核针对PIN的配置，推出了pinctrl子系统
- 设置复用功能
- 设置PIN的上下拉等属性
- 设置GPIO
linux内核针对GPIO的配置，推出了gpio子系统
- GDIR方向
- DR数据
pinctrl子系统
简介
大多数 SOC 的 pin 都是支持复用的，比如 I.MX6ULL 的 GPIO1_IO03 既可以
- 作为普通的GPIO 使用，
- 也可以作为 I2C1 的 SDA 等等。
此外我们还需要配置 pin 的电气特性，比如
传统的配置 pin 的方式就是直接操作相应的寄存器，但是这种配置方式比较繁琐、而且容易出问题(比如 pin 功能冲突)。
pinctrl 子系统就是为了解决这个问题而引入的，pinctrl 子系统主要工作内容如下：
- 获取设备树中 pin 信息。
- 根据获取到的 pin 信息来设置 pin 的复用功能
- 根据获取到的 pin 信息来设置 pin 的电气特性，比如上/下拉、速度、驱动能力等
对于我们使用者来讲，只需要在设备树里面设置好某个 pin 的相关属性即可，其他的初始化工作均由 pinctrl 子系统来完成，pinctrl 子系统源码目录为 drivers/pinctrl
imx6ull的pinctrl子系统驱动
我这里有一个猜测：
linux内核驱动的分层，分离的思想，是不是就是说，pin引脚设置，就一起一口气设置了，之后gpio的初始化，也一口气设置了。对比裸机的外设驱动，是以设备为单位，设置完一个设备，在设置另一个设备，这样如果两个设备的引脚冲突，不容易发现。pinctrl子系统，作为内核驱动的一部分，一口气设置所有的pin。
PIN配置信息详解
要使用pinctrl子系统，我们要在设备树里面设置PIN的配置信息。
pinctrl子系统要根据你提供的信息来配置PIN。
根据设备树的定义，.dtsi中，肯定会有soc内部的io复用控制器的外设节点
iomuxc: iomuxc@020e0000 {
...
};
|
在.dts中，则可以看到，根据每块板卡的不同，追加了很多pin配置
不同的外设，使用不同的pin配置（复用，电气参数）。
将某个外设所使用的所有PIN都组织在一个子节点里面
如果我们需要在iomuxc中添加我们自定义外设的PIN配置，就需要创建我们自己的外设的子节点。然后把这个自定义外设的所有PIN配置信息，都放到这个子节点中。
iomuxc: iomuxc@020e0000 {
compatible = "fsl,imx6ul-iomuxc";
reg = <0x020e0000 0x4000>;
pinctrl-names = "default";
};
|
在.dtsi中，可以看到，iomuxc这个外设指定的驱动程序是fsl,imx6ul-iomuxc, 实际对应的是drivers/pinctrl/freescale/pinctrl-imx6ul.c这个驱动程序
所以我们之前写的ko都是驱动模块，linux的内置的驱动都在drivers/下，所以我们的pinctrl子系统，其实就是针对iomuxc这个外设的驱动程序。
下面解析一下每个子节点的PIN配置信息的含义
pinctrl_hog_1: hoggrp-1 {
fsl,pins = <
MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19 0x17059
MX6UL_PAD_GPIO1_IO05__USDHC1_VSELECT 0x17059
MX6UL_PAD_GPIO1_IO09__GPIO1_IO09 0x17059
MX6UL_PAD_GPIO1_IO00__ANATOP_OTG1_ID 0x13058
>;
|
可以看到里面的一则PIN配置为
MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19 0x17059
|
有两部分组成：
- 复用信息
MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19,
- 在
imx6ul-pinfunc.h中宏定义为0x0090 0x031C 0x0000 0x5 0x0
- 实际含义为：<
mux_reg conf_reg input_reg mux_mode input_val>
mux_reg, iomuxc的复用寄存器的偏移地址conf_reg, iomuxc的电气参数寄存器的偏移地址input_reg, iomuxc的input_reg寄存器，有些外设pin没有这个mux_mode, mux_reg的值input_val, input_reg的值
- 电气参数
这样就可以通过一行，来配置好这个外设的一个PIN的想要的配置了
pin驱动程序讲解
这里主要就是讲解pinctrl子系统的实现原理
iomuxc的compatible指定驱动程序fsl,imx6ul-iomuxc, 定义在drivers/pinctrl/freescale/pinctrl-imx6ul.c,就是我们的pinctrl子系统（iomuxc驱动）
但是我们这里的pinctrl是platform_driver是平台设备驱动, 后面会讲这种驱动模式
当设备和驱动匹配成功以后, platform_driver 的 probe 成员变量所代表的函数就会执行, ，可以认为 imx6ul_pinctrl_probe 函数就是 I.MX6ULL 这个 SOC 的 PIN 配置入口函数
具体pinctrl细节，这里先不分析
这里主要注意的是，pinctrl是linux的一个子系统，但是芯片原厂需要根据自家的芯片，来告诉linux内核，如何操作这些pin，就是注册操作结构体，这估计就是SDK要干的事情。
可以看到，drivers/pinctrl/子系统下，除了pinctrl的通用代码 ，还有各个芯片原厂，比如：
- freescale
- intel
- samsung
- …..
为linux内核准备的自家soc的pin操作方法。
进入freescale后发现针对各种自家的SOC，有pinctrl-xxx.c
设备树添加pinctrl节点模板
驱动的分层与分离图示
一句话：这就是驱动开发的分离与分层
[ 硬件: i.MX6ULL GPIO1_IO03 ]
^
| (物理操作)
---------------------------
| 芯片原厂提供的底层驱动 | <--- (NXP 工程师已经写好了)
---------------------------
^
| (内核内部回调)
[ Linux GPIO 子系统 (框架层) ]
^
| (调用标准 API: gpio_set_value)
---------------------------
| 你的驱动程序 (LED.c) | <--- (你只需要写这一层)
---------------------------
^
| (open/write)
[ 用户程序 (main.c) ]
|
关于设备树中设备节点结构层次梳理
/ (根节点: 代表整块 i.MX6ULL 开发板)
┃
┗━ soc (节点: 代表芯片内部资源)
┃
┣━ uart1: serial@02020000 (UART控制器)
┃ ┗━ bluetooth-module (子节点: 接在串口1上的蓝牙模块)
┃
┣━ i2c1: i2c@021a0000 (I2C1控制器)
┃ ┣━ mpu6050@68 (子节点: 地址为0x68的陀螺仪)
┃ ┗━ eeprom@50 (子节点: 地址为0x50的存储器)
┃
┗━ usdhc1: mmc@02190000 (SD卡控制器)
┗━ sdcard@0 (子节点: 插在卡槽1里的SD卡)
|
正常片内设备的驱动，父子层级
正常片内设备，比如i2c，要严格遵循父子层级关系。
gpio片内设备的特殊性，无层级
因为gpio在几乎所有的外设中都有使用，所以一般不使用父子层级，而是内嵌在别的设备节点里面，相当于是最底层，最普遍的外设资源，因为使用非常普遍，所以几乎可以看出是属性。相当于全设备使能
gpio子系统
先会用，内部实现后面再补充
gpio 子系统的主要目的就是方便驱动开发者使用 gpio，驱动开发者在设备树中添加 gpio 相关信息，然后就可以在驱动程序中使用 gpio 子系统提供的 API函数来操作 GPIO，
Linux 内核向驱动开发者屏蔽掉了 GPIO 的设置过程，极大的方便了驱动开发者使用 GPIO
I.MX6ULL 的 gpio 子系统驱动
设备树中的 gpio 信息表示
以usdhc节点为例：
- pinctrl-x
- 表示使用dts设置pinctrl的该组PINs的配置
- 这里面指定的pinctrl-0， pinctrl-1指的是usdhc设备的所有节点的不同配置模式
- cd-gpios = <&gpio1 19 GPIO_ACTIVE_LOW>;
- 指定usdhc1的cd引脚是gpio1_19, 低电平有效。
- 根据dts指定，我们就可以在编写sd卡驱动的时候，使用cd引脚的gpio了
因为usdhc1外设节点里面指定了gpio1，gpio1本质上也是我们soc的片内外设资源，肯定也是有设备节点的。所以
可以看到， gpio1设备节点里面，指定了他们使用的gpio驱动程序，也就是我们的gpio子系统。
其中有一些不常见的属性：
gpio-controller;
#gpio-cells = <2>;
- 表面指定gpio的键值对由两部分组成：
- GPIO编号（&gpio1 3 表示GPIO1_IO03）
- GPIO极性（0 = GPIO_ACTIVE_HIGH 高电平有效）
gpio驱动程序
前面我们发现gpio1节点里面指定了驱动程序为fsl,imx6ul-gpio,所以下一步肯定是要去找到我们的gpio驱动。肯定是去drivers/下才能找到linux内置驱动。
实际就是drivers/gpio/gpio-mxc.c,内置驱动里面才有of_device_id.
drivers/gpio/下有很多芯片的gpio驱动文件，gpiolib-xxx是gpio驱动的核心文件。
这些驱动几乎都是platform_driver{.driver, .probe, .id_table}
当dts中设备节点匹配上内置驱动后，probe就会执行。
.probe中的具体内容分析（待完善）
gpio子系统api函数
对于驱动开发人员，设置好设备树以后就可以使用 gpio 子系统提供的 API 函数来操作指定的 GPIO
设备树添加gpio节点模板
前面我们总结过，gpio下连接的设备，一般不遵循严格的父子关系。而是直接放到设备节点里面，当属性用。
test_gpio {
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_test>;
gpio = <&gpio1 0 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};
&iomuxc {
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1>;
imx6ul-evk {
pinctrl_test: testgrp {
fsl,pins = <
MX6UL_PAD_GPIO1_IO07__CCM_STOP 0x1b088
>;
};
}
}
|
pinctrl-x, pinctrl-name的含义
GPIO_ACTIVE_LOW/HIGH的含义
gpio子系统里面如何获取节点gpio信息，OF函数
- of_gpio_named_count
- 统计任意命名属性的gpio个数，获取设备树某个属性里面定义了几个GPIO的信息（空的也算一个）
- of_gpio_count
- 还是统计，统计的是gpios这个属性的gpio的个数
- of_get_named_gpio
- 获取GPIO编号，将设备树中类似<&gpio5 7 GPIO_ACTIVE_LOW>的属性信息转换为对应的 GPIO 编号
利用dts + pinctrl子系统 + gpio子系统， 重写led驱动
- 配置dts,
- 指定pinctrl配置
- 创建led设备节点，指定gpio
- 检查pin是否被其他外设使用
- led.ko驱动模块编写
.dts
gpioled: mygpioled@0 {
compatible = "my-gpio-led";
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
status = "okay";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_gpioled>;
led-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};
pinctrl_gpioled: pinctrl_gpioled {
fsl,pins = <
MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0x10B0
>;
};
|
gpioled.c
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#define DEV_CNT 1
#define DEV_NAME "mygpioled"
#define DEV_CLASS "mygpioled_class"
#define DEV_DEVICE "mygpioled_device"
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;
struct led {
dev_t devid;
int major;
int minor;
struct cdev _cdev;
struct class * _class;
struct device * _device;
struct device_node * _dtb_node;
int led_gpio;
} mygpioled;
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk("led is open!\r\n");
filp->private_data = &mygpioled;
return 0;
}
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
printk("mytest read!\r\n");
return 0;
}
#define LEDOFF 0
#define LEDON 1
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue = 0;
unsigned char databuf[1];
struct led *_dev = filp->private_data;
printk("mygpioled write! : filp->private_data->major = %d\r\n",
(*(struct led *)(filp->private_data)).major);
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if(retvalue < 0){
printk("kernel get user write failed\n");
return -EFAULT;
} else {
printk("kernel get user char = %s\n", buf);
}
if(databuf[0] == LEDON){
gpio_set_value(_dev->led_gpio, 0);
} else if(databuf[0] == LEDOFF) {
gpio_set_value(_dev->led_gpio, 1);
}
return 0;
}
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk("chrdevbase release！\r\n");
return 0;
}
static struct file_operations led_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_open,
.read = led_read,
.write = led_write,
.release = led_release,
};
static int __init gpioled_init(void){
int ret = 0;
mygpioled._dtb_node = of_find_node_by_path("/mygpioled@0");
if(mygpioled._dtb_node == NULL){
printk("gpioled node cannot find\n");
return -EINVAL;
} else {
printk("gpioled node has found\n");
}
mygpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(mygpioled._dtb_node, "led-gpio", 0);
if(mygpioled.led_gpio < 0){
printk("cannot get led-gpio\n");
return -EINVAL;
} else {
printk("led-gpio ID = %d\n", mygpioled.led_gpio);
}
ret = gpio_request(mygpioled.led_gpio, "led-gpio-tag");
if(ret < 0){
printk("Error: gpio %d, is already in use, cannot be requested\n", mygpioled.led_gpio);
return ret;
}
ret = gpio_direction_output(mygpioled.led_gpio, 1);
if(ret < 0){
printk("cannot set gpio\n");
}
alloc_chrdev_region(&(mygpioled.devid), 0, DEV_CNT, DEV_NAME);
mygpioled.major = MAJOR(mygpioled.devid);
mygpioled.minor = MINOR(mygpioled.devid);
printk("mygpioled alloc devid over, major = %d, minor = %d\n",
mygpioled.major, mygpioled.minor);
mygpioled._cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&(mygpioled._cdev), &led_fops);
cdev_add(&(mygpioled._cdev), mygpioled.devid, DEV_CNT);
mygpioled._class = class_create(THIS_MODULE, DEV_CLASS);
mygpioled._device = device_create(mygpioled._class, NULL, mygpioled.devid, NULL, DEV_DEVICE);
printk("my dts led driver init over\n");
return 0;
}
static void __exit gpioled_exit(void){
printk("my dts led driver start exit\n");
gpio_free(mygpioled.led_gpio);
unregister_chrdev_region(mygpioled.devid, DEV_CNT);
cdev_del(&(mygpioled._cdev));
device_destroy(mygpioled._class, mygpioled.devid);
class_destroy(mygpioled._class);
printk("my dts led driver exit over\n");
}
module_init(gpioled_init);
module_exit(gpioled_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("liangji");
|