Linux下如何使用X86 CPU的GPIO

作者：wsg1100

出處：http://www.cnblogs.com/wsg1100/

1.前言

在arm嵌入式開發中，各個外設具有固定的物理地址，我們可以直接通過晶片手冊來編寫驅動配置後使用。但是在x86中有所不同，所有外設控制器集成在PCH（曾經的南橋）中，每個外設都是作為一個PCI設備掛在PCH的PCI總線上，PCH再通過DMI與CPU相聯。對於標壓處理器H/K系列（也就是我們臺式機），南橋還在主板上，對於x86移動處理器(Y/U結尾系列)，已將PCH和CPU集成到同一封裝中，與如今各類SOC類似，如下（詳見 datasheet ）。

由於x86中每個外設是一個PCI設備，所以我們要使用某個外設就需要為其分配內存空間映射、IRQ和I/O基址，x86中這些資源配置是由BIOS（UEFI）完成的，因為每塊主板設計和外設使用不一樣，就需要不一樣的配置，所以不同的主板廠商需要定製自己主板的BIOS 。

BIOS配置好主板使用的外設後，一些BIOS（UEFI）通過ACPI(高級配置和電源接口）的DSDT來傳遞設備信息（類似arm設備樹，但功能更強）給作業系統，獲取這些設備信息後我們才能配置和使用這個外設，但ACPI對各個作業系統有兼容性問題，這就會出現你在Windows設備管理器能看到該設備，到linux下什麼也沒有，因為大部分X86硬體廠商的BIOS主要兼容Windows為主，一般桌面CPU都是用的Windows系統嘛。

本文說的GPIO就是這麼個問題，linux下無法使用，由於涉及的東西有點多，所以簡單介紹在如何將x86工控機引出的GPIO使用起來的(注意：是CPU的GPIO引腳，不是Super IO的GPIO）。

CPU :英特爾7代低壓處理器( Kaby Lake) i5-7200U/賽揚3865Ulinux:linux 4.0以上

2.linux pinctrl子系統

要使用gpio需要先看一下linux系統PINCTRL子系統，層級如下所示（圖片來源蝸窩科技）：

最底層是硬體控制器，其上是操作這些硬體的相關驅動（pin controller driver），不同的控制器有不同底層驅動，一般由晶片廠商BSP完成；pin controller driver初始化的時候會向pin control core模塊註冊pin control設備（通過pinctrl_register這個bootom level interface）。pin control core模塊是一個硬體無關模塊，它抽象了所有pin controller的硬體特性，僅僅從用戶（各個driver就是pin control subsystem的用戶）角度給出了top level的接口函數，這樣， 各個driver不需要關注pin controller的底層硬體相關的內容，使用時直接向pinctrl子系統申請IO資源即可。 關於linux GPIO與pinctrl子系統信息，詳見 蝸窩科技-GPIO子系統 .

pin controller driver成功註冊到pin control core後，我們通過pin control core導出到sysfs的文件就可以直接操作一個GPIO，使其輸入輸出，而不需要專門去寫一個驅動模塊。

3. pin controller driver

搞嵌入式的一定對platform bus非常熟悉，pin controller driver的註冊同樣離不開platform bus，driver與device必須經過某種匹配後，才能進一步執行probe註冊到系統中。

結合前言中對x86設備的描述，platform bus可通過以下兩種方式來判斷driver和device是否匹配。

probe()probe()

別忘了前提，啟動時BIOS必須為使用的PCI設備分配好設備中斷號(中斷vector)、映射空間地址等我們才能用。那對於我們的GPIO設備linux系統使用的是哪種方式呢，這需要到源碼中來看，首先七代系列CPU linux pinctrl driver源碼文件為 \drivers\pinctrl\intel\pinctrl-sunrisepoint.c ，看如下代碼。

static const struct acpi_device_id spt_pinctrl_acpi_match[] = { { "INT344B", (kernel_ulong_t)&sptlp_soc_data }, { "INT345D", (kernel_ulong_t)&spth_soc_data }, { }};MODULE_DEVICE_TABLE(acpi, spt_pinctrl_acpi_match);.....static struct platform_driver spt_pinctrl_driver = { .probe = spt_pinctrl_probe, .driver = { .name = "sunrisepoint-pinctrl", .acpi_match_table = spt_pinctrl_acpi_match, .pm = &spt_pinctrl_pm_ops, },};

可以看到使用的是ACPI模式，那麼驅動的註冊邏輯應該如下，

其中driver把系統中所有的pin描述出來，並將driver註冊到platform bus。driver需要對應的device才能工作， 但是linux因為ACPI的兼容性問題，linux並沒有解析DSDT並創建出GPIO 相關的device，所以沒有觸發執行probe來將pin controller driver註冊到pin control core中，pinctrl子系統沒有工作當然無法使用 。到這裡我們去解決內核對ACPI的解析（或者說兼容性問題）顯然是不太現實的(自己太菜(╯﹏╰))，有沒有其他辦法呢？

先閱讀源碼看看，probe()執行過程中需要用到device的哪些resource，只要我們能獲取到這些resource，自己手動構造一個device註冊到platform bus不就行了，O(∩_∩)O哈哈~。

int intel_pinctrl_probe(struct platform_device *pdev, const struct intel_pinctrl_soc_data *soc_data){ ...... for (i = 0; i < pctrl->ncommunities; i++) { ...... res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, community->barno);//0 regs = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res); ...... } ...... irq = platform_get_irq(pdev, 0); ......}

可以看到pin controller driver需要pincontrler 的地址空間和使用的中斷號兩部分資源，其中地址空間是三個，因為所有GPIO由三個GPIO控制器組成，三個GPIO控制器共享相同的中斷線，三個GPIO控制器作為一個PCI設備。如何獲取這兩個信息呢？

4.手動構造device

上面通過閱讀原始碼得知， intel-pinctrl 需要 pincontrler 地址空間、和使用的中斷號兩部分資源。

地址空間起始地址可通過PCI 設備 P2SB Bridge (D31:F1) 獲得。中斷 vector 由 BIOS 配置，反編譯 BIOS 給linux傳遞的 ACPI 信息，看是否有中斷vector相關信息：

在板子上進入 /sys/firmware/acpi/tables ，將目錄下所有文件考出，使用acpi工具 iasl 對DSDT文件進行反編譯：

iasl -d DSDT.dat

得到 AML 文件 DSDT.dsl ,裡面包含 BIOS 開發的各設備節點信息。

打開 DSDT.dsl 並找到pin controler設備節點描述，只需要搜索驅動裡的"INT344B"或"INT345D"就能定位到。到這裡我們也明白了，為什麼驅動裡的 spt_pinctrl_acpi_match[] 有兩像，原來是一個代表標壓處理器（H）,一個代表低壓處理器（U）。

Device (GPI0) { Method (_HID, 0, NotSerialized) // _HID: Hardware ID { If ((PCHV () == SPTH)) { If ((PCHG == 0x02)) { Return ("INT3451") } Return ("INT345D") //表示7代標壓處理器 } Return ("INT344B") //表示7代低壓處理器 Name (LINK, "\\_SB.PCI0.GPI0") Method (_CRS, 0, NotSerialized) // _CRS: Current Resource Settings { Name (RBUF, ResourceTemplate () { Memory32Fixed (ReadWrite, 0x00000000, // Address Base 0x00010000, // Address Length 地址空間大小 _Y2E) Memory32Fixed (ReadWrite, 0x00000000, // Address Base 0x00010000, // Address Length 地址空間大小 _Y2F) Memory32Fixed (ReadWrite, 0x00000000, // Address Base 0x00010000, // Address Length 地址空間大小 _Y31) Interrupt (ResourceConsumer, Level, ActiveLow, Shared, ,, _Y30) { 0x0000000E, //中斷號 } }) CreateDWordField (RBUF, \_SB.PCI0.GPI0._CRS._Y2E._BAS, COM0) // _BAS: Base Address CreateDWordField (RBUF, \_SB.PCI0.GPI0._CRS._Y2F._BAS, COM1) // _BAS: Base Address CreateDWordField (RBUF, \_SB.PCI0.GPI0._CRS._Y30._INT, IRQN) // _INT: Interrupts COM0 = (SBRG + 0x00AF0000) COM1 = (SBRG + 0x00AE0000) CreateDWordField (RBUF, \_SB.PCI0.GPI0._CRS._Y31._BAS, COM3) // _BAS: Base Address COM3 = (SBRG + 0x00AC0000) IRQN = SGIR /* \SGIR */ Return (RBUF) /* \_SB_.PCI0.GPI0._CRS.RBUF */ }

你可能看不懂上面面的信息，到底哪個是標壓哪個是低壓？沒關係，我們去pin controller driver中，裡面有注釋，反推一下就知道 INT345D 代表的是標壓， INT344B 代表的是低壓。

/* Sunrisepoint-LP */static const struct pinctrl_pin_desc sptlp_pins[] = { ....}static const struct intel_pinctrl_soc_data sptlp_soc_data = { .pins = sptlp_pins, ...}...../* Sunrisepoint-H */static const struct pinctrl_pin_desc spth_pins[] = { ....}static const struct intel_pinctrl_soc_data spth_soc_data = { .pins = spth_pins, ...}static const struct acpi_device_id spt_pinctrl_acpi_match[] = { { "INT344B", (kernel_ulong_t)&sptlp_soc_data }, { "INT345D", (kernel_ulong_t)&spth_soc_data }, { }};

回到正題，我們從 DSDT.dsl 獲取得到中斷號: 0xE，三個地址空間起始地址及大小。構建一個platform_device 如下：

#include <linux/debugfs.h>#include <linux/ioport.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/module.h>#include <linux/platform_device.h>#define P2SB_PORTID_SHIFT 16#define P2SB_PORT_GPIO3 0xAC#define P2SB_PORT_GPIO2 0xAD /*未使用*/#define P2SB_PORT_GPIO1 0xAE#define P2SB_PORT_GPIO0 0xAF#define sbreg_addr 0xfd000000 /*Address Base*//*Community 0*/#define SPT_PINCTRL_COMMUNITY0_OFFSET sbreg_addr + (P2SB_PORT_GPIO0 << P2SB_PORTID_SHIFT)#define SPT_PINCTRL_COMMUNITY0_SIZE 0x00010000/*Community 1*/#define SPT_PINCTRL_COMMUNITY1_OFFSET sbreg_addr + (P2SB_PORT_GPIO1 << P2SB_PORTID_SHIFT)#define SPT_PINCTRL_COMMUNITY1_SIZE 0x00010000 /*Community 2*/#define SPT_PINCTRL_COMMUNITY2_OFFSET sbreg_addr + (P2SB_PORT_GPIO2 << P2SB_PORTID_SHIFT)#define SPT_PINCTRL_COMMUNITY2_SIZE 0x00010000/*Community 3*/#define SPT_PINCTRL_COMMUNITY3_OFFSET sbreg_addr + (P2SB_PORT_GPIO3 << P2SB_PORTID_SHIFT)#define SPT_PINCTRL_COMMUNITY3_SIZE 0x00010000static struct resource intel_pinctrl_dev_resources[] = { /* iomem resource */ DEFINE_RES_MEM_NAMED(SPT_PINCTRL_COMMUNITY0_OFFSET, SPT_PINCTRL_COMMUNITY0_SIZE, NULL), DEFINE_RES_MEM_NAMED(SPT_PINCTRL_COMMUNITY1_OFFSET, SPT_PINCTRL_COMMUNITY1_SIZE, NULL),// DEFINE_RES_MEM_NAMED(SPT_PINCTRL_COMMUNITY2_OFFSET, SPT_PINCTRL_COMMUNITY2_SIZE, NULL),/*未使用*/ DEFINE_RES_MEM_NAMED(SPT_PINCTRL_COMMUNITY3_OFFSET, SPT_PINCTRL_COMMUNITY3_SIZE, NULL), /* irq resource */ DEFINE_RES_IRQ(0x0E), /*反編譯BIOS DSDT獲取*/};static struct platform_device intel_pinctrl_device = { .name = "sunrisepoint-pinctrl", .id = -1, .resource = intel_pinctrl_dev_resources, .num_resources = ARRAY_SIZE(intel_pinctrl_dev_resources),};static int __init intel_spt_device_init(void){ return platform_device_register(&intel_pinctrl_device);}module_init(intel_spt_device_init);static void __exit intel_spt_device_exit(void){ platform_device_unregister(&intel_pinctrl_device);}module_exit(intel_spt_device_exit);MODULE_AUTHOR("wsg1100");MODULE_DESCRIPTION("Intel sunrisepoint pinctrl device");MODULE_LICENSE("GPL v2");

隨內核編譯後，加載模塊，intel pinctrl子系統正常工作，(^o^)/。

注意，相同平臺，不同BIOS PCI信息可能不同！文中提供的只是一種方法

作者：wsg1100

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