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嵌入式新手注意了:GPIO系统搞懂了没?听听这位老工程师的没错

admin 2019-11-29 06:59 121人围观 嵌入式相关

作为一个工作多年的系统工程师,免不了做两件事情:培训新员工和给新员工分配任务。对于那些刚刚从学校出来的学生,一般在开始的时候总是分配一些非常简单的任务,例如GPIO driver、LED driver。往往CPU datasheet的关于GPIO或者IO ports的章节都是比较简单的,非常适合刚入行的工程师。虽然GPIO子系统相关的硬件比较简单,没有复杂的协议,不过,对于软件抽象而言,其分层次的软件思想是每个嵌入式软件工程师需要掌握的内容。

个人更倾向使用GPIO系统这个名字来代替GPIO driver这个名字,GPIO driver仅仅包含了pin signal状态控制和读取的内容,而GPIO系统包括了pin multiplexing、pin configuration、GPIO control、GPIO interrupt control等内容。

一、GPIO相关硬件有哪些差异

嵌入式工程师总是要处理各种各样的target board,每个target board上的GPIO总是存在不同,例如:

1、和CPU的连接方式不同

对于ARM的嵌入式硬件平台,SOC本身可以提供大量的IO port,SOC上的GPIO controller是通过SOC的总线(AMBA)连接到CPU的。对于嵌入式系统而言,除了SOC的IO port,一些外设芯片也可能会提供IO port,例如:

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

(2)有些专用的IO expander芯片可以扩展16个或者32个GPIO

从硬件角度看,这些IO和SOC提供的那些IO完全不同,CPU和IO expander是通过I2C(也有可能是SPI等其他类型的bus)连接的,在这种情况下,访问这些SOC之外的GPIO需要I2C的操作,而控制SOC上的GPIO只需要写寄存器的操作。不要小看这个不同,写一个SOC memory map的寄存器非常快,但是通过I2C来操作IO就不是那么快了,甚至,如果总线繁忙有可能阻塞当前进程,这种情况下,内核同步机制必须有所区别(如果操作GPIO可能导致sleep,那么同步机制不能采用spinlock)。

2、访问方式不同

SOC片内的GPIO controller和SOC片外的IO expander的访问当然不一样,不过,即便都是SOC片内的GPIO controller,不同的ARM芯片,其访问方式也不完全相同,例如:有些SOC的GPIO controller会提供一个寄存器来控制输出电平。向寄存器写1就是set high,向寄存器写0就是set low。但是有些SOC的GPIO controller会提供两个寄存器来控制输出电平。向其中一个寄存器写一就是set high,向另外一个寄存器写一就是set low。

3、配置方式不同

即便是使用了同样的硬件(例如都使用同样的某款SOC),不同硬件系统上GPIO的配置不同。在一个系统上配置为输入,在另外的系统上可能配置为输出。

4、GPIO特性不同。这些特性包括:

(1)是否能触发中断。对一个SOC而言,并非所有的IO port都支持中断功能,可能某些处理器只有一两组GPIO有中断功能。

(2)如果能够触发中断,那么该GPIO是否能够将CPU从sleep状态唤醒

(3)有些有软件可控的上拉或者下拉电阻的特性,有的GPIO不支持这种特性。在设定为输入的时候,有的GPIO可以设定debouce的算法,有的则不可以。

5、多功能复用

有的GPIO就是单纯的作为一个GPIO出现,有些GPIO有其他的复用的功能。例如IO expander上的GPIO只能是GPIO,但是SOC上的某个GPIO除了做普通的IO pin脚,还可以是SPI上clock信号线。

二、硬件功能分类

ARM based SOC的datasheet中总有一个章节叫做GPIO controller(或者I/O ports)的章节来描述如何配置、使用SOC的引脚。虽然GPIO controller的硬件描述中充满了大量的寄存器的描述,但是这些寄存器的功能大概分成下面三个类别:

1、有些硬件逻辑是和IO port本身的功能设定相关的,我们称这个HW block为pin controller。软件通过设定pin controller这个硬件单元的寄存器可以实现:

(1)引脚功能配置。例如该I/O pin是一个普通的GPIO还是一些特殊功能引脚(例如memeory bank上CS信号)。

(2)引脚特性配置。例如pull-up/down电阻的设定,drive-strength的设定等。

2、如果一组GPIO被配置成SPI,那么这些pin脚被连接到了SPI controller,如果配置成GPIO,那么控制这些引脚的就是GPIO controller。通过访问GPIO controller的寄存器,软件可以:

(1)配置GPIO的方向

(2)如果是输出,可以配置high level或者low level

(3)如果是输入,可以获取GPIO引脚上的电平状态

3、如果一组gpio有中断控制器的功能,虽然控制寄存器在datasheet中的I/O ports章节描述,但是实际上这些GPIO已经被组织成了一个interrupt controller的硬件block,它更像是一个GPIO type的中断控制器,通过访问GPIO type的中断控制器的寄存器,软件可以:

(1)中断的enable和disable(mask和unmask)

(2)触发方式

(3)中断状态清除

三、如何通过软件抽象来掩盖硬件差异

传统的GPIO driver是负责上面三大类的控制,而新的linux kernel中的GPIO subsystem则用三个软件模块来对应上面三类硬件功能:

(1)pin control subsystem。驱动pin controller硬件的软件子系统。

(2)GPIO subsystem。驱动GPIO controller硬件的软件子系统。

(3)GPIO interrupt chip driver。这个模块是作为一个interrupt subsystem中的一个底层硬件驱动模块存在的。本文主要描述前两个软件模块,具体GPIO interrupt chip driver以及interrupt subsystem请参考本站其他相关文档。

1、pin control subsystem block diagram

下图描述了pin control subsystem的模块图:



底层的pin controller driver是硬件相关的模组,初始化的时候会向pin control core模块注册pin control设备(通过pinctrl_register这个bootom level interface)。pin control core模块是一个硬件无关模块,它抽象了所有pin controller的硬件特性,仅仅从用户(各个driver就是pin control subsystem的用户)角度给出了top level的接口函数,这样,各个driver不需要关注pin controller的底层硬件相关的内容。

2、GPIO subsystem block diagram

下图描述了GPIO subsystem的模块图:



基本上这个软件框架图和pin control subsystem是一样的,其软件抽象的思想也是一样的,当然其内部具体的实现不一样,我们会在后续的文章中描述。


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