Linux下如何使用X86 CPU的GPIO

木多發表於2020-10-31
Linux

目錄

1.前言

在arm嵌入式開發中，各個外設具有固定的實體地址，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，所有外設控制器整合在PCH（曾經的南橋）中，每個外設都是作為一個PCI裝置掛在PCH的PCI匯流排上，PCH再通過DMI與CPU相聯。對於標壓處理器H/K系列（也就是我們桌上型電腦），南橋還在主機板上，對於x86移動處理器(Y/U結尾系列)，已將PCH和CPU整合到同一封裝中，與如今各類SOC類似，如下（詳見datasheet）。

image-20201031102153079

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

BIOS配置好主機板使用的外設後，一些BIOS（UEFI）通過ACPI(高階配置和電源介面）的DSDT來傳遞裝置資訊（類似arm裝置樹，但功能更強）給作業系統，獲取這些裝置資訊後我們才能配置和使用這個外設，但ACPI對各個作業系統有相容性問題，這就會出現你在Windows裝置管理器能看到該裝置，到linux下什麼也沒有，因為大部分X86硬體廠商的BIOS主要相容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3865U

linux: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）：

pinctrl

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模組註冊pin control裝置（通過pinctrl_register這個bootom level interface）。pin control core模組是一個硬體無關模組，它抽象了所有pin controller的硬體特性，僅僅從使用者（各個driver就是pin control subsystem的使用者）角度給出了top level的介面函式，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子系統資訊，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匯出到sysfs的檔案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組。

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。

pinctrl-bus

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

  • 方式一，由BIOS通過ACPI 中DSDT傳遞控制器裝置節點描述給linux（可類比裝置樹），linux核心啟動過程中解析處理DSDT資訊，自動構造device裝置並新增到Platform bus，新增過程中匹配ACPI_ID,觸發執行pin controller driver 的probe()函式。
  • 方式二，linux掃描PCI匯流排裝置建立裝置並新增，PCI驅動匹配vendor、device、class後觸發執行pin controller driver 的probe()函式。

別忘了前提，啟動時BIOS必須為使用的PCI裝置分配好裝置中斷號(中斷vector)、對映空間地址等我們才能用。那對於我們的GPIO裝置linux系統使用的是哪種方式呢，這需要到原始碼中來看，首先七代系列CPU linux pinctrl driver原始碼檔案為\drivers\pinctrl\intel\pinctrl-sunrisepoint.c，看如下程式碼。

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，

PINCTRL

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的相容性問題，linux並沒有解析DSDT並建立出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。到這裡我們去解決核心對ACPI的解析（或者說相容性問題）顯然是不太現實的(自己太菜(╯﹏╰))，有沒有其他辦法呢？

先閱讀原始碼看看，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裝置。如何獲取這兩個資訊呢？

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 裝置P2SB Bridge (D31:F1)獲得。中斷vector由BIOS配置，反編譯BIOS給linux傳遞的ACPI資訊，看是否有中斷vector相關資訊：

在板子上進入/sys/firmware/acpi/tables，將目錄下所有檔案考出，使用acpi工具iasl對DSDT檔案進行反編譯：

iasl -d DSDT.dat

得到AML檔案 DSDT.dsl,裡面包含BIOS開發的各裝置節點資訊。

開啟 DSDT.dsl並找到pin controler裝置節點描述，只需要搜尋驅動裡的"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資訊，到底哪個是標壓哪個是低壓？沒關係，我們去pin controller driver中，裡面有註釋，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		0x00010000


static 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");

隨核心編譯後，載入模組，intel pinctrl子系統正常工作，(^o^)/。
注意，相同平臺，不同BIOS PCI資訊可能不同！文中提供的只是一種方法

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