Linux下如何使用X86 CPU的GPIO

2020-10-31

1.前言

在arm嵌入式开发中,各个外设具有固定的物理地址,我们可以直接通过芯片手册来编写驱动配置后使用。但是在x86中有所不同,所有外设控制器集成在PCH(曾经的南桥)中,每个外设都是作为一个PCI设备挂在PCH的PCI总线上,PCH再通过DMI与CPU相联。对于标压处理器H/K系列(也就是我们台式机),南桥还在主板上,对于x86移动处理器(Y/U结尾系列),已将PCH和CPU集成到同一封装中,与如今各类SOC类似,如下(详见datasheet)。

image-20201031102153079

由于x86中每个外设是一个PCI设备,所以我们要使用某个外设就需要为其分配内存空间映射、IRQ和I/O基址,x86中这些资源配置是由BIOS(UEFI)完成的,因为每块主板设计和外设使用不一样,就需要不一样的配置,所以不同的主板厂商需要定制自己主板的BIOS 。

BIOS配置单板板使用外设后,一些BIOS(UEFI)通过ACPI(高级配置和电源接口)的DSDT来传递设备信息(类似arm设备树,但功能更强)给操作系统,获取这些设备信息后我们才能配置和使用这个外设,但ACPI对各个操作系统有兼容性问题,这就会出现你在Windows设备管理器能看到该设备,到linux下什么也没有,因为大部分X86硬件厂商的BIOS主要兼容Windows为主,一般桌面CPU都是用的Windows系统嘛。

本文说的GPIO就是这么个问题,linux下无法使用,由于涉及的东西有点多,所以简单介绍在如何将x86工控机引出的GPIO使用起来的(注意:是CPU的GPIO引脚,不是Super IO的GPIO)。

CPU :英特尔7代低压处理器( Kaby Lake) i5-7200U/赛扬3865U

linux:linux 4.0以上

2.linux pinctrl子系统

要使用gpio需要先看一下linux系统PINCTRL子系统,层级如下所示(图片来源蜗窝科技):

pinctrl

最底层是硬件控制器,其上是操作这些硬件的相关驱动(pin controller driver),不同的控制器有不同底层驱动,一般由芯片厂商BSP完成;pin controller driver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,使用时直接向pinctrl子系统申请IO资源即可。关于linux GPIO与pinctrl子系统信息,详见蜗窝科技-GPIO子系统.

pin controller driver成功注册到pin control core后,我们通过pin control core导出到sysfs的文件就可以直接操作一个GPIO,使其输入输出,而不需要专门去写一个驱动模块。

3. pin controller driver

搞嵌入式的一定对platform bus非常熟悉,pin controller driver的注册同样离不开platform bus,driver与device必须经过某种匹配后,才能进一步执行probe注册到系统中。

pinctrl-bus

结合前言中对x86设备的描述,platform bus可通过以下两种方式来判断driver和device是否匹配。

  • 方式一,由BIOS通过ACPI 中DSDT传递控制器设备节点描述给linux(可类比设备树),linux内核启动过程中解析处理DSDT信息,自动构造device设备并添加到Platform bus,添加过程中匹配ACPI_ID,触发执行pin controller driver 的probe()函数。
  • 方式二,linux扫描PCI总线设备创建设备并添加,PCI驱动匹配vendor、device、class后触发执行pin controller driver 的probe()函数。

别忘了前提,启动时BIOS必须为使用的PCI设备分配好设备中断号(中断vector)、映射空间地址等我们才能用。那对于我们的GPIO设备linux系统使用的是哪种方式呢,这需要到源码中来看,首先七代系列CPU linux pinctrl driver源码文件为\drivers\pinctrl\intel\pinctrl-sunrisepoint.c,看如下代码。

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,那么驱动的注册逻辑应该如下,

PINCTRL

其中driver把系统中所有的pin描述出来,并将driver注册到platform bus。driver需要对应的device才能工作,但是linux因为ACPI的兼容性问题,linux并没有解析DSDT并创建出GPIO 相关的device,所以没有触发执行probe来将pin controller driver注册到pin control core中,pinctrl子系统没有工作当然无法使用。到这里我们去解决内核对ACPI的解析(或者说兼容性问题)显然是不太现实的(自己太菜(╯﹏╰)),有没有其他办法呢?

先阅读源码看看,probe()执行过程中需要用到device的哪些resource,只要我们能获取到这些resource,自己手动构造一个device注册到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 的地址空间和使用的中断号两部分资源,其中地址空间是三个,因为所有GPIO由三个GPIO控制器组成,三个GPIO控制器共享相同的中断线,三个GPIO控制器作为一个PCI设备。如何获取这两个信息呢?

4.手动构造device

上面通过阅读源代码得知,intel-pinctrl需要pincontrler 地址空间、和使用的中断号两部分资源。

地址空间起始地址可通过PCI 设备P2SB Bridge (D31:F1)获得。中断vectorBIOS配置,反编译BIOS给linux传递的ACPI信息,看是否有中断vector相关信息:

在板子上进入/sys/firmware/acpi/tables,将目录下所有文件考出,使用acpi工具iasl对DSDT文件进行反编译:

iasl -d DSDT.dat

得到AML文件 DSDT.dsl,里面包含BIOS开发的各设备节点信息。

打开 DSDT.dsl并找到pin controler设备节点描述,只需要搜索驱动里的"INT344B"或"INT345D"就能定位到。到这里我们也明白了,为什么驱动里的spt_pinctrl_acpi_match[]有两像,原来是一个代表标压处理器(H),一个代表低压处理器(U)。

 Device (GPI0)
        {
            Method (_HID, 0, NotSerialized)  // _HID: Hardware ID
            {
                If ((PCHV () == SPTH))
              {
                    If ((PCHG == 0x02))
                  {
                        Return ("INT3451")
                    }
                    Return ("INT345D")    //表示7代标压处理器
                }
                Return ("INT344B")		//表示7代低压处理器
            Name (LINK, "\\_SB.PCI0.GPI0")
            Method (_CRS, 0, NotSerialized)  // _CRS: Current Resource Settings
            {
                Name (RBUF, ResourceTemplate ()
                {
                    Memory32Fixed (ReadWrite,
                        0x00000000,         // Address Base
                        0x00010000,         // Address Length  地址空间大小
                        _Y2E)
                    Memory32Fixed (ReadWrite,
                        0x00000000,         // Address Base
                        0x00010000,         // Address Length   地址空间大小
                        _Y2F)
                    Memory32Fixed (ReadWrite,
                        0x00000000,         // Address Base
                        0x00010000,         // Address Length   地址空间大小
                        _Y31)
                    Interrupt (ResourceConsumer, Level, ActiveLow, Shared, ,, _Y30)
                    {
                        0x0000000E,		//中断号
                    }
                })
                                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,到底哪个是标压哪个是低压?没关系,我们去pin controller driver中,里面有注释,反推一下就知道INT345D代表的是标压,INT344B代表的是低压。

/* 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 },
	{ }
};

回到正题,我们从 DSDT.dsl获取得到中断号: 0xE,三个地址空间起始地址及大小。构建一个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), /*反编译BIOS DSDT获取*/
};

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");

随内核编译后,加载模块,intel pinctrl子系统正常工作,(^o^)/。
注意,相同平台,不同BIOS PCI信息可能不同!文中提供的只是一种方法

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