### 03_基于GPIO子系统的LED驱动程序
#### 一、概述
本文将详细介绍如何在嵌入式Linux系统中，利用GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）子系统来开发LED驱动程序。GPIO作为连接外部硬件与内核之间的重要桥梁，在嵌入式系统开发中扮演着极其重要的角色。通过合理配置GPIO引脚的功能，可以实现对外围设备的有效控制。
#### 二、知识背景
在深入探讨基于GPIO子系统的LED驱动程序之前，我们需要了解一些必要的基础知识：
1. **GPIO子系统**：它是Linux内核提供的一组API接口，用于管理和操作GPIO引脚。
2. **Pinctrl子系统**：Pinctrl（Pin Controller）子系统负责管理GPIO引脚的配置，包括但不限于引脚的方向（输入/输出）、电平、速度等。
3. **设备树(Device Tree)**：这是一种描述硬件结构的标准格式，用于向内核传递硬件配置信息，包括GPIO配置。
4. **platform_device和platform_driver**：它们是Linux内核提供的用于平台相关的驱动程序模型，其中platform_device表示硬件设备，platform_driver则表示驱动程序。
#### 三、基于GPIO子系统的LED驱动程序
##### 3.1 编写思路
开发基于GPIO子系统的LED驱动程序通常遵循以下步骤：
1. **设备树配置**：
- 使用Pinctrl子系统配置引脚功能：在设备树中指定引脚配置为GPIO功能。
- 在设备树中定义GPIO信息：通过`[name]-gpios`属性指定使用的GPIO控制器及引脚编号。
2. **驱动程序编写**：
- **定义并注册platform_driver**：在驱动程序中定义一个`platform_driver`结构体，并通过`platform_driver_register`函数将其注册到内核中。
- **probe函数实现**：在`platform_driver`结构体的`probe`函数中获取GPIO引脚，并定义`file_operations`结构体以支持用户空间的操作。
- **file_operations实现**：在这个结构体中实现对GPIO的读写操作，如设置方向、读取或写入值。
##### 3.2 设备树中的Pinctrl信息添加
有些芯片提供了设备树生成工具，可以通过图形界面选择引脚功能和配置信息，自动生成Pinctrl子结点。如果没有这样的工具，则需要手动添加Pinctrl信息，可以通过以下几种方式获得所需信息：
1. **查阅芯片文档**：一般在内核源码目录`Documentation/devicetree/bindings/pinctrl`中保存有各个厂家的文档。
2. **参考现有设备树文件**：在内核源码目录`arch/arm/boot/dts`中查找类似配置。
3. **网络搜索**：寻找相关资料和经验分享。
Pinctrl子节点的样式通常如下所示：
```plaintext
&pinctrl {
// 引脚配置信息
};
```
##### 3.3 设备树中的GPIO信息添加
在确定了所用引脚后，需要在设备树中添加GPIO信息。具体操作如下：
1. **确定引脚**：首先查看电路原理图，明确所用引脚。
2. **添加GPIO属性**：在设备树中添加`[name]-gpios`属性，指定GPIO控制器和引脚编号以及可能的标志信息（如`GPIO_ACTIVE_LOW`）。
示例代码如下：
```plaintext
led: led@0 {
compatible = "simple-led";
gpios = <&gpio0 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};
```
此处`&gpio0 2 GPIO_ACTIVE_LOW`表示使用了名为`gpio0`的控制器中的第2号引脚，并设置了低电平有效。
##### 3.4 编程示例
接下来我们将通过具体的编程示例来展示如何实现基于GPIO子系统的LED驱动程序。
1. **定义并注册platform_driver**：
```c
static struct platform_driver my_led_driver = {
.probe = my_led_probe,
.driver = {
.name = "my-led",
},
};
static int __init my_led_init(void)
{
return platform_driver_register(&my_led_driver);
}
static void __exit my_led_exit(void)
{
platform_driver_unregister(&my_led_driver);
}
module_init(my_led_init);
module_exit(my_led_exit);
```
2. **probe函数实现**：
```c
static int my_led_probe(struct platform_device *pdev)
{
struct gpio_desc *gpio;
struct resource *res;
res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_PIN, 0);
if (!res) {
dev_err(&pdev->dev, "Cannot find pin resource\n");
return -ENODEV;
}
gpio = gpiod_get_index(&pdev->dev, 0, 0, GFP_KERNEL);
if (IS_ERR(gpio)) {
dev_err(&pdev->dev, "Failed to get gpio\n");
return PTR_ERR(gpio);
}
my_led.gpio = gpio;
return 0;
}
```
3. **file_operations实现**：
```c
static const struct file_operations my_led_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = my_led_open,
.release = my_led_release,
.read = my_led_read,
.write = my_led_write,
};
static int my_led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
static int my_led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
static ssize_t my_led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
int val = gpiod_get_value(my_led.gpio);
return put_user(val, (int __user *)buf);
}
static ssize_t my_led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
int val;
if (get_user(val, (int __user *)buf)) {
return -EFAULT;
}
gpiod_set_value(my_led.gpio, val);
return count;
}
```
以上就是基于GPIO子系统的LED驱动程序的主要实现过程。通过以上步骤，我们可以成功地实现对LED的控制，并通过用户空间的应用程序进行操作。这种基于GPIO子系统的驱动程序设计方法不仅适用于简单的LED控制，还可以扩展到其他复杂的GPIO应用中。
