嵌入式Linux开发|pinctrl子系统

概况

众所周知，每颗SoC都会有很多的pin，除了具有特殊作用的，比如电源、地等pin，其他的pin一般都会**“身兼数职”**，比如，一个pin既可以当做GPIO来使用，也可以用作UART的TX，又或者是SPI的MOSI；而且，这些pin往往具有不同的能力，比如，上拉、下拉、不同的驱动能力等等。

pinctrl子系统就是用来完成上述功能而设计的，pinctrl对下管理SoC所有的pin，对上提供配置SoC所有pin的接口。通常，再将linux系统移植到一款新SoC上时，其中一项工作，就是将所有pin注册到pinctrl子系统中，并且为配置这些pin提供相应接口。

pinctrl子系统Linux内核的位置，由于本篇文章，主要介绍pinctrl的基本配置、使用方式，如果你想更多的了解pinctrl，请参考最为权威的内核文档，这是内核5.18中关于pinctrl子系统的介绍。可以参考我之前写过的文章。

作用

pinctrl子系统作为嵌入式Linux的重要组成部分，其一般具有如下几项作用：

1. 枚举、命名SoC所有的pin；
2. pin分组管理功能；对于某些接口比如spi或者i2c，其一般需要多个pin配合使用，并且对于同一个外设控制器，其可能会有多组pin的组合。比如，i2c0控制器，其引脚组合可能是{21，22}，也可能是{31，32}。pinctrl子系统需要具有管理这些pin组的能力。
3. 提供pin复用配置；
4. 提供配置pin特殊能力的接口，比如，上拉、下拉、推挽输出、开漏输出、负载驱动能力配置等等。

pinctrl会从系统全局的角度，管理所有的pin，提供pin互斥访问的服务，即，每个pin同一时间只能被一个consumer使用，并且只能配置成一种功能。

在进行驱动开发时，大到动辄有十多条控制信号线的网卡芯片，小到只有一个GPIO的led或者按键，谨记，第一件事就是配置外设所使用的pin的复用功能和IO特性。 就比如，我们使用一个pin来控制一个LED，我们要做的配置如下：

1. pin复用为GPIO。
2. IO为输出模式。
3. 根据实际硬件电路，确定是否启用上拉、下拉，以及所需要的驱动能力。

架构

pinctrl子系统架构图表示，其提供两套接口，

1. 对下，为各种硬件平台提供pins定义、控制方式注册接口。
2. 对上，为各种驱动提供操作pins的接口，比如，GPIO基本控制接口，GPIO子系统与pinctrl子系统交互接口。

顶层接口

• 定义pinctrl硬件，实际上pinctrl硬件就是一片内存寄存器，这些寄存器可以配置pins，完成诸如复用（multiplex）、上/下拉配置（bias）、负载能力（load capacitance）、驱动能力等。
• 定义SoC所有的pin，pads, fingers, balls都是同一个意思，表示某一个pin，每个pinctrl硬件所控制的pins，属于同一个命名空间，范围是0~maxpins，它会略过不存在的pin，所以，这个空间可能是不连续的。

每个pinctrl硬件在初始化的时候，都会向pinctrl framework注册其所涉及的所有pins的描述符。这里以一个PGA（Pin Grid Array）封装的SoC为例，该SoC所有pins的排列方式如下：

		A   B   C   D   E   F   G   H

   8    o   o   o   o   o   o   o   o

   7    o   o   o   o   o   o   o   o

   6    o   o   o   o   o   o   o   o

   5    o   o   o   o   o   o   o   o

   4    o   o   o   o   o   o   o   o

   3    o   o   o   o   o   o   o   o

   2    o   o   o   o   o   o   o   o

   1    o   o   o   o   o   o   o   o

下面的代码枚举了上面SoC中所有的pins，宏PINCTRL_PIN用于定义每个pin的number和名字，number是系统唯一的。
注意：以上面SoC为例，这里pin的定义顺序是从0到63，这个顺序不是唯一的，它依赖于几个方面1）pingctrl硬件寄存器的布局；2）与GPIO numer映射时是否简单；

#include <linux/pinctrl/pinctrl.h>

	const struct pinctrl_pin_desc foo_pins[] = {
    
    
		PINCTRL_PIN(0, "A8"),
		PINCTRL_PIN(1, "B8"),
		PINCTRL_PIN(2, "C8"),
		...
		PINCTRL_PIN(61, "F1"),
		PINCTRL_PIN(62, "G1"),
		PINCTRL_PIN(63, "H1"),
	};

	static struct pinctrl_desc foo_desc = {
    
    
		.name = "foo",
		.pins = foo_pins,
		.npins = ARRAY_SIZE(foo_pins),
		.owner = THIS_MODULE,
	};

	int __init foo_probe(void)
	{
    
    
		int error;

		struct pinctrl_dev *pctl;

		error = pinctrl_register_and_init(&foo_desc, <PARENT>,
						  NULL, &pctl);
		if (error)
			return error;

		return pinctrl_enable(pctl);
	}

GPIO子系统与pinctrl子系统的关系

GPIO子系统控制硬件的操作，最终都是通过pinctrl实现的。但是，这两套系统都有自己的命名空间，比如，GPIO子系统是按照block来划分pin的，类似于blockA、blockB等等，而pinctrl子系统，是按照SoC的pin的序号，顺序定义的，所以，两个系统pin的索引不是一一对应的，这就需要一个map来进行映射。比如，下面的代码:

	struct gpio_chip chip_a;
	struct gpio_chip chip_b;

	static struct pinctrl_gpio_range gpio_range_a = {
    
    
		.name = "chip a",
		.id = 0,
		.base = 32,
		.pin_base = 32,
		.npins = 16,
		.gc = &chip_a;
	};

	static struct pinctrl_gpio_range gpio_range_b = {
    
    
		.name = "chip b",
		.id = 0,
		.base = 48,
		.pin_base = 64,
		.npins = 8,
		.gc = &chip_b;
	};

	{
    
    
		struct pinctrl_dev *pctl;
		...
		pinctrl_add_gpio_range(pctl, &gpio_range_a);
		pinctrl_add_gpio_range(pctl, &gpio_range_b);
	}

• chip_a和chip_b是GPIO子系统的两个block；
• pinctrl_gpio_range结构用于定义两个子系统pin的映射关系；
• base表示某一block中pin的起始序号，pin_base表示其在pinctrl子系统中起始序号，bpins表示block中pin的个数；

下面是就是两个两个子系统pin映射关系：

chip a:
 - GPIO range : [32 .. 47]
 - pin range  : [32 .. 47]
chip b:
 - GPIO range : [48 .. 55]
 - pin range  : [64 .. 71]

注意，上述表示，两个子系统中pin是线性映射的，如果是非线性或随机的呢？请看下面的代码:

static const unsigned range_pins[] = {
    
     14, 1, 22, 17, 10, 8, 6, 2 };

	static struct pinctrl_gpio_range gpio_range = {
    
    
		.name = "chip",
		.id = 0,
		.base = 32,
		.pins = &range_pins,
		.npins = ARRAY_SIZE(range_pins),
		.gc = &chip;
	};

注意，用pins代替了线性映射的pin_base，而range_pins中的pin都是随机的。

**结论:**不管是线性映射还是随机映射，都要注意，对于同一个pin，在两个系统中的number，很有可能是不一样的！

GPIO子系统在控制某一pin时，通过两个系统pins的映射关系，转换为pinctrl中的pin number，从而控制硬件。

DTS配置

示例