一、前言

对于一个嵌入式软件工程师,我们的软件模块经常和硬件打交道,pin control subsystem也不例外,被它驱动的硬件叫做pin controller(一般ARM soc的datasheet会把pin controller的内容放入GPIO controller的章节中),主要功能包括:

(1)pin multiplexing。基于ARM core的嵌入式处理器一般会提供丰富的功能,例如camera interface、LCD interface、USB、I2C、SPI等等。虽然处理器有几百个pin,但是这些pin还是不够分配,因此有些pin需要复用。例如:127号GPIO可以做一个普通的GPIO控制LED,也可以配置成I2C的clock信号,也可以配置成SPI的data out信号。当然,这些功能不可能同时存在,因为硬件信号只有一个。

(2)pin configuration。这些配置参数包括:pull-up/down电阻的设定, tri-state设定,drive-strength的设定。

本文主要描述pin control subsystem中的low level driver,也就是驱动pin controller的driver。具体的硬件选用的是S3C2416的硬件平台。既然是代码分析,本文不是非常多的描述框架性的内容,关于整个pin control subsystem软件结构的描述请参考Linux内核中的GPIO系统之(2)。

阅读本文需要device tree的知识,建议首先阅读device tree代码分析

二、pin controller相关的DTS描述

类似其他的硬件,pin controller这个HW block需要是device tree中的一个节点。此外,各个其他的HW block在驱动之前也需要先配置其引脚复用功能,因此,这些device(我们称pin controller是host,那么这些使用pin controller进行引脚配置的device叫做client device)也需要在它自己的device tree node中描述pin control的相关内容

1、S3C2416 pin controller DTS结构

下面的伪代码描述了S3C2416 pin controller 的DTS结构:

每个pin configuration都是pin controller的child node,描述了client device要使用到的一组pin的配置信息。具体如何定义pin configuration是和具体的pin controller相关的。

在pin controller node中定义pin configuration其目的是为了让client device引用。所谓client device其实就是使用pin control subsystem提供服务的那些设备,例如串口设备。在使用之前,我们一般会在初始化代码中配置相关的引脚功能是串口功能。有了device tree,我们可以通过device tree来传递这样的信息。也就是说,各个device可以通过自己节点的属性来指向pin controller的某个child node,也就是pin configuration了。samsung 24xx系列SOC的pin controller的pin configurations包括两类,一类是定义pin bank,另外一类是定义功能复用配置。

2、pin configuration定义

我们举两个简单的例子(当然一个是pin bank,另外一个是定义功能复用配置)来理解pin configuration第一个例子是描述pin bank:

其实S3C2416 pin controller定义了gpa到gpm共计11个sub node,每个sub node是描述S3C2416 GPIO controller的各个bank信息。S3C2416有138个I/O 端口(或者叫做pin、finger、pad)这些端口分成了11个bank(这里没有用group这个术语,为了和pin group这个概念区分开,pin group的概念下面会具体描述):

之所以分成bank,主要是把特性相同的GPIO进行分组,方便控制。例如:这些bank中,只有GPF和GPG这两个bank上的引脚有中断功能,其他的都没有。interrupt-controller这个属性相信大家已经熟悉,就是说明该node是一个interrupt controller。gpio-controller类似,说明该device node是一个GPIO controller。#gpio-cells属性是一个GPIO controller的必须定义的属性,它描述了需要多少个cell来具体描述一个GPIO(这是和具体的GPIO controller相关的)。#interrupt-cells的概念类似,不再赘述。phandle(linux,phandle这个属性和phandle是一样的,只不过linux,phandle是old-style,多定义一个属性是为了兼容)定义了一个句柄,当其他的device node想要引用这个node的时候就可以使用该句柄。具体的例子参考下节client device的DTS的描述。

另外一个例子是uart的pin configuration,代码如下:

samsung,pins这个属性定义了一个pin configuration所涉及到的引脚定义。对于uart0-data这个node,该配置涉及了gph bank中的第一个和第二个GPIO pin。一旦选择了一个功能,那么samsung,pins定义的所有的引脚都需要做相应的功能设定,那么具体设定什么值呢?这就是samsung,pin-function定义的内容了。而具体设定哪个值则需要去查阅datasheet了。对于uart0-data,向gph bank中的第一个和第二个GPIO pin对应的配置寄存器中写入2就可以把这两个pin定义为uart功能。

3.client device的DTS

一个典型的device tree中的外设node定义如下:

(1)pinctrl-names定义了一个state列表。那么什么是state呢?具体说应该是pin state,对于一个client device,它使用了一组pin,这一组pin应该同时处于某种状态,毕竟这些pin是属于一个具体的设备功能。state的定义和电源管理关系比较紧密,例如当设备active的时候,我们需要pin controller将相关的一组pin设定为具体的设备功能,而当设备进入sleep状态的时候,需要pin controller将相关的一组pin设定为普通GPIO,并精确的控制GPIO状态以便节省系统的功耗。state有两种,标识,一种就是pinctrl-names定义的字符串列表,另外一种就是ID。ID从0开始,依次加一。根据例子中的定义,state ID等于0(名字是active)的state对应pinctrl-0属性,state ID等于1(名字是idle)的state对应pinctrl-1属性。具体设备state的定义和各个设备相关,具体参考在自己的device bind。

(2)pinctrl-x的定义。pinctrl-x是一个句柄(phandle)列表,每个句柄指向一个pin configuration。有时候,一个state对应多个pin configure。例如在active的时候,I2C功能有两种配置,一种是从pin ID{7,8}引出,另外一个是从pin ID{69,103}引出。

我们选取samsung串口的dts定义如下:

该serial device只定义了一个state就是default,对应pinctrl-0属性定义。pinctrl-0是一个句柄(phandle)列表,每个句柄指向一个pin configuration。0x2对应上节中的uart0-data节点,0x03对应uart0-fctl 节点,也就是说,这个串口有两种配置,一种是从gph bank中的第一个和第二个GPIO pin引出,另外一个是从gph bank中的第8个和第9个GPIO pin引出。

三、 pin controller driver初始化

1、注册pin control device

旧的内核一般是在machine相关的代码中建立静态的platform device的数据结构,然后在machine初始化的时候,将静态定义的platform device注册到系统。不过在引入device tree之后,事情发生了变化。

根据device tree代码分析,我们知道,在系统初始化的时候,dts描述的device node会形成一个树状结构,在machine初始化的过程中,会scan device node的树状结构,将真正的硬件device node变成一个个的设备模型中的device结构(比如struct platform_device)并加入到系统中。我们看看具体2416描述pin controller的dts code,如下:

reg属性描述pin controller硬件的地址信息,开始地址是0x56000000 ,地址长度是0x1000。compatible属性用来描述pin controller的programming model。该属性的值是string list,定义了一系列的modle(每个string是一个model)。这些字符串列表被操作系统用来选择用哪一个pin controller driver来驱动该设备,后面的代码会更详细的描述。 pin control subsystem要想进行控制,必须首先了解自己控制的对象,也就是说软件需要提供一个方法将各种硬件信息(total有多少可控的pin,有多少bank,pin的复用情况以及pin的配置情况)注册到pin control subsystem中,这也是pin controller driver的初始化的主要内容。这些信息当然可以通过定义静态的表格(参考linux/drivers/pinctrl目录下的pinctrl-u300.c文件,该文件定义了一个大数组u300_pads来描述每一个pin),也可以通过dts加上静态表格的方式(2416采用的方式)。

2、注册pin controller driver

当然,pinctrl@56000000这个device node也会变成一个platform device加入系统。有了device,那么对应的platform driver是如何注册到系统中的呢?代码如下:

系统初始化的时候,该函数会执行,向系统注册了samsung_pinctrl_driver:

3、probe过程(driver初始化过程)

在linux kernel引入统一设备模型之后,bus、driver和device形成了设备模型中的铁三角。对于platform这种类型的bus,其铁三角数据是platform_bus_type(表示platform这种类型的bus)、struct platform_device(platform bus上的device)、struct platform_driver(platform bus上的driver)。统一设备模型大大降低了驱动工程师的工作量,驱动工程师只要将driver注册到系统即可,剩余的事情交给统一设备模型来完成。每次系统增加一个platform_driver,platform_bus_type都会启动scan过程,让新加入的driver扫描整个platform bus上的device的链表,看看是否有device让该driver驱动。同样的,每次系统增加一个platform_device,platform_bus_type也会启动scan过程,遍历整个platform bus上的driver的链表,看看是否有适合驱动该device的driver。具体匹配的代码是platform bus上的match函数,如下:

旧的的platform的匹配函数就是简单的比较device和driver的名字,多么简单,多么清晰,真是有点怀念过去单纯而美好的生活。当然,事情没有那么糟糕,我们这里只要关注OF style的匹配过程即可,思路很简单,解铃还需系铃人,把匹配过程推给device tree模块,代码如下:

platform driver提供了match table(struct device_driver 中的of_match_table的成员)。platform device提供了device tree node(struct device中的of_node成员)。对于我们这个场景,match table是samsung_pinctrl_dt_match,代码如下:

再去看看dts中pin controller的节点compatible属性的定义,你会禁不住感慨:啊,终于遇到对的人。这里还要特别说明的是data成员被设定为s3c2416_pin_ctrl ,它描述了2416的HW pin controller,我们称之samsung pin controller的描述符,初始化的过程中需要这个数据结构,后面还会详细介绍它。一旦pin controller这个device遇到了适当的driver,就会调用probe函数进行具体的driver初始化的动作了,代码如下:

(1)devm_kzalloc函数是为struct samsung_pinctrl_drv_data数据结构分配内存。每当driver probe一个具体的device实例的时候,都需要建立一些私有的数据结构来保存该device的一些具体的硬件信息(本场景中,这个数据结构就是struct samsung_pinctrl_drv_data)。在过去,驱动工程师多半使用kmalloc或者kzalloc来分配内存,但这会带来一些潜在的问题。例如:在初始化过程中,有各种各样可能的失败情况,这时候就依靠driver工程师小心的撰写代码,释放之前分配的内存。当然,初始化过程中,除了memory,driver会为probe的device分配各种资源,例如IRQ 号,io memory map、DMA等等。当初始化需要管理这么多的资源分配和释放的时候,很多驱动程序都出现了资源管理的issue。而且,由于这些issue是异常路径上的issue,不是那么容易测试出来,更加重了解决这个issue的必要性。内核解决这个问题的模式(所谓解决一类问题的设计方法就叫做设计模式)是Devres,即device resource management软件模块。更细节的内容就不介绍了,其核心思想就是资源是设备的资源,那么资源的管理归于device,也就是说不需要driver过多的参与。当device和driver detach的时候,device会自动的释放其所有的资源。

(2)分配了struct samsung_pinctrl_drv_data数据结构的内存,当然下一步就是初始化这个数据结构了。我们先看看2416的pin controller driver是如何定义该数据结构的:

struct pinctrl_desc和struct pinctrl_dev 都是pin control subsystem中core driver的概念。各个具体硬件的pin controller可能会各不相同,但是可以抽取其共同的部分来形成一个HW independent的数据结构,这个数据就是pin controller描述符,在core driver中用struct pinctrl_desc表示,具体该数据结构的定义如下:

其实整个初始化过程的核心思想就是low level的driver定义一个pinctrl_desc ,设定pin相关的定义和callback函数,注册到pin control subsystem中。我们用引脚描述符(pin descriptor)来描述一个pin。在pin control subsystem中,struct pinctrl_pin_desc用来描述一个可以控制的引脚,我们称之引脚描述符,代码如下:

冰冷的pin ID是给机器用的,而name是给用户使用的,是ascii字符。

struct pinctrl_dev在pin control subsystem的core driver中抽象一个pin control device。其实我们可以通过多个层面来定义一个device。在这个场景下,pin control subsystem的core driver关注的是一类pin controller的硬件设备,具体其底层是什么硬件连接方式,使用什么硬件协议它不关心,它关心的是pin controller这类设备所有的通用特性和功能。当然2416的pin controller是通过platform bus连接的,因此,在low level的层面,需要一个platform device来标识2416的pin controller(需要注意的是:pin controller class device和platform device都是基于一个驱动模型中的device派生而来的,这里struct device是基类,struct pinctrl_dev和struct platform_device都是派生类,当然c本身不支持class,但面向对象的概念是同样的)。为了充分理解class这个概念,我们再举一个例子。对于audio的硬件抽象层,它应该管理所有的audio设备,因此这个软件模块应该有一个audio class的链表,连接了所有的系统中的audio设备。但这些具体的audio设备可能是PCI接口的audio设备,也可能是usb接口的audio设备,从具体的总线层面来看,也会有PCI或者USB设备来抽象对应的声卡设备。

OK,我们再看看samsung_pinctrl_drv_data底部四个成员,要理解该数据结构底部的四个成员,还要理解什么是pin mux function,什么是pin group。对于SOC而言,其引脚除了配置成普通GPIO之外,若干个引脚还可以组成一个pin group,形成特定的功能。例如pin number是{ 0, 8, 16, 24 }这四个引脚组合形成一个pin group,提供SPI的功能。既然有了pin group的概念,为何又有function这个概念呢?什么是function呢?SPI是function,I2C也是一个function,当然GPIO也是一个function。一个function有可能对应一组或者多组pin。例如:为了设计灵活,芯片内部的SPI0的功能可能引出到pin group { A8, A7, A6, A5 },也可能引出到另外一个pin group{ G4, G3, G2, G1 },但毫无疑问,这两个pin group不能同时active,毕竟芯片内部的SPI0的逻辑功能电路只有一个。 从这个角度看,pin control subsystem要进行功能设定的时候必须要给出function以及function的pin group才能确定所有的物理pin的位置。

我们前面已经说过了,struct samsung_pinctrl_drv_data数据结构就是2416的pin controller driver要驱动2416的HW pin controller的私有数据结构。这个数据结构中最重要的就是samsung pin controller描述符了。关于pin controller有两个描述符,一个是struct pinctrl_desc,是具体硬件无关的pin controller的描述符。struct samsung_pin_ctrl描述的具体samsung pin controller硬件相关的信息,比如说:pin bank的信息,不是所有的pin controller都是分bank的,因此pin bank的信息只能封装在low level的samsung pin controller driver中。这个数据结构定义如下:

关于上面的base可以多说两句。实际上,系统支持多个pin controller设备,这时候,系统要管理多个pin controller控制下的多个pin。每个pin有自己的pin ID,是唯一的,假设系统中有两个pin controller,一个是A,控制32个,另外一个是B,控制64个pin,我们可以统一编号,对A,pin ID从0~31,对于B,pin ID是从32~95。对于B,其pin base就是32。

samsung_pinctrl_probe->samsung_pinctrl_get_soc_data函数中会根据device tree的信息和静态定义的table来初始化该描述符,具体的代码如下:

samsung_pinctrl_get_soc_data这个函数名字基本反应了其功能,2416是samsung的一个具体的SOC型号,调用该函数可以返回一个表示2416 SOC的samsung pin controller的描述符。

A:这段代码主要是获取具体的2416的HW pin controller的信息,该数据结构在上文中出现过(具体参考pin controller的device tree match table:samsung_pinctrl_dt_match),就是s3c2416_pin_ctrl这个变量。这个变量定义了2416的pin controller的信息(S3C2416的pin controller的pin bank信息是定义在pin controller driver的静态数据,其实最好在dts中定义)如下:

这个变量中包含了2416的pin bank的信息,包括:有多少个pin bank,每个bank中有多少个pin,pin bank的名字是什么,寄存器的offset是多少。这些信息用来初始化pin controller描述符数据结构。

B:初始化2416 samsung pin controller中各个bank的描述符。

C:device tree中表示pin controller的device node有若干的child node,分别表示gpa~gpl这11个bank,每个bank都是一个gpio controller。下面的代码遍历各个child node,并初始化各个bank描述符中的device tree node成员。 这里需要注意的是静态定义的pin bank的名字要和dts文件中定义的pin bank node的名字一样。

D:系统中有可能有多个pin controller,多个pin controller上的pin ID 应该是系统唯一的,ctrl->base表示本pin controller中的pin ID的起始值。

(3)本来pin control subsystem和GPIO subsystem应该是无关的两个子系统,应该各自进行自己的初始化过程。但实际中,由于硬件的复杂性,这两个子系统耦合性非常高。这里samsung_gpiolib_register函数就是把各个bank代表的gpio chip注册到GPIO subsystem中。更具体的信息请参考GPIO subsystem软件框架文档。

(4)samsung_pinctrl_register函数的主要功能是将本pin controller注册到pin control subsystem。代码如下:

A:初始化硬件无关的pin controller描述符(struct samsung_pinctrl_drv_data中的pctl成员)。该数据结构中还包含了所有pin的描述符的信息,这些pin descriptor所需要的内存在步骤B中分配

B:初始化过程中涉及不少内存分配,这些内存主要用于描述每一个pin(术语叫做pin descriptor)以及pin name。

C:初始化每一个pin 描述符的名字和ID。对于samsung的pin描述符,其名字使用pin-bank name + pin ID的形式。 ID的分配是从该pin controller的pin base开始分配ID的,逐个加一。

D:初始化pin group和function(具体内容在下节描述)

E:调用pinctrl_register注册到pin control subsystem 。这是pin control subsystem的核心函数,可以参考GPIO系统之2的描述。

F:在这里又不得不进行pin control subsystem和GPIO系统的耦合了。每个bank都是一个GPIO controller,但是pin bank使用的ID是pin control space中的ID,GPIO 子系统中使用的是GPIO space的ID,对于pin control subsystem而言,它需要建立这两个ID的映射关系。pinctrl_add_gpio_range就是起这个作用的。更具体的内容请参考pin control subsystem软件结构文档。 需要注意的是直接在pin controller driver中调用pinctrl_add_gpio_range是不推荐的,建议使用dts的方式在GPIO controller设备节点中描述。

(5)这里的代码是向kernel中的中断子系统注册interrupt controller。对于2416,有两个bank有中断功能,gpf和gpg,本质上gpf和gpg就是两个interrupt controller,挂接在2416真正的那个interrupt contrller之下,形成树状结构。具体的代码就不分析了,请参考GPIO类型的中断控制器代码分析。

4、pin control subsystem如何获取pin group的信息

具体的代码如下:

(1)pin controller的device node有若干个child node,每个child node都描述了一个pin configuration。of_get_child_count函数可以获取pin configuration的数目。

(2)根据pin configuration的数目分配内存。在这里共计分配了两片内存,一片保存了所有pin group的信息(struct samsung_pin_group ),一片保存了pin mux function的信息(struct samsung_pmx_func)。实际上,分配pin configuration的数目的内存有些浪费,因为不是每一个pin control的child node都是和pin group相关(例如pin bank node就是和pin group无关)。对于function,就更浪费了,因为有可能多个pin group对应一个function。

(3)samsung_pinctrl_parse_dt_pins函数主要分析samsung,pins这个属性,并根据属性值返回一个pin list,该list中每个entry是一个pin ID。

(4)初始化samsung pin group的描述符。具体的数据结构解释如下:

(5)一个pin configuration的device tree node被解析成两个描述符,一个是samsung pin group的描述符,另外一个是samsung pin mux function描述符。这两个描述符的名字都是根据dts file中的pin configuration的device node name生成,只不过pin group的名字附加-grp的后缀,而function描述符的名字后面附加-mux的后缀。

(6)对于samsung pin mux function描述符解释如下:

在具体的代码实现中num_groups总是等于1。

四、S3C2416 pin controller driver的操作函数

1、操作函数概述

pin controller描述符中包括了三类操作函数:pctlops是一些全局的控制函数,pmxops是复用引脚相关的操作函数,confops操作函数是用来配置引脚的特性(例如:pull-up/down)。这些callback函数都是和具体的底层pin controller的操作相关。

本章节主要描述这些call back函数的逻辑,这些callback的调用时机不会在这里描述,那些内容请参考pin control subsystem的描述。

2、struct pinctrl_ops中各个callback函数的具体的解释如下:

(1)samsung_get_group_count

该函数的代码如下:

该函数主要是用来获取指定pin control device的pin group的数目。逻辑很简单,通过pin control的class device的driver_data成员可以获得samsung pin control driver的私有数据(struct samsung_pinctrl_drv_data),可以nr_groups成员返回group的数目。

(2)samsung_get_group_name

该函数的代码如下:

该函数主要用来获取指定group selector的pin group信息。

(3)samsung_get_group_pins

该函数的代码如下:

该函数的主要功能是给定一个group selector(index),获取该pin group中pin的信息(该pin group包括多少个pin,每个pin的ID是什么) 。

(4)samsung_dt_node_to_map

该函数的代码如下:

具体分析TODO

(5)samsung_dt_free_map

该函数的代码如下:

具体分析TODO

3、复用引脚相关的操作函数struct pinmux_ops的具体解释如下:

(1)samsung_get_functions_count

该函数的代码如下:

该函数的主要功能是就是返回pin controller device支持的function的数目

(2)samsung_pinmux_get_fname

该函数的代码如下:

该函数的主要功能是就是:给定一个function selector(index),获取指定function的name  
  
(3)samsung_pinmux_get_groups

该函数的代码如下:

该函数的主要功能是就是:给定一个function selector(index),获取指定function的pin groups信息 
  
(4)samsung_pinmux_enable和samsung_pinmux_disable

这个两个callback函数都是通过samsung_pinmux_setup实现,该函数的代码如下:

该函数主要用来enable一个指定function。具体指定function的时候要给出function selector和pin group的selector 。具体的操作涉及很多底层的寄存器操作(TODO)。 
  
  
(5)samsung_pinmux_gpio_set_direction

该函数的代码如下:

该函数用来设定GPIO的方向。

4、配置引脚的特性的struct pinconf_ops数据结构的各个成员定义如下:

(1)samsung_pinconf_get 
(2)samsung_pinconf_set 
(3)samsung_pinconf_group_get 
(4)samsung_pinconf_group_set

(1)和(2)是对单个pin的配置进行读取或者设定,(3)和(4)是对pin group中的所有pin进行配置进行读取或者设定。这些函数的底层都是samsung_pinconf_rw,该函数代码如下:

具体分析TODO

原创文章,转发请注明出处。蜗窝科技http://www.wowotech.net/linux_kenrel/pin-controller-driver.html

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