GPIO 驱动与控制

1. 概述

1.1 功能简介

GPIO（General Purpose Input/Output）通用输入输出接口，是嵌入式系统中最基本的外设接口。RK3576 拥有丰富的 GPIO 资源，支持复用功能配置、中断触发、上下拉控制等特性。通过 GPIO 可以控制外部设备的电平状态（输出模式）或读取外部信号的电平状态（输入模式）。

1.2 应用场景

  • LED 控制：通过 GPIO 输出高低电平控制 LED 灯亮灭
  • 按键检测：通过 GPIO 输入模式检测按键状态
  • 外设使能：控制外部芯片的使能引脚（EN）或复位引脚（RST）
  • 中断信号：配置为中断模式，检测外部事件触发
  • 模拟通信协议：软件模拟 I2C、SPI、1-Wire 等时序

1.3 工作原理

RK3576 的 GPIO 控制器通过 Pin-Ctrl 子系统进行引脚功能复用管理。每个引脚可以配置为 GPIO 模式或其他功能模式（如 I2C、UART、SPI 等）。GPIO 的内部结构包括：

  • 方向控制寄存器（DDR）：控制引脚为输入或输出模式
  • 数据寄存器（DR）：读取或设置引脚电平值
  • 复用功能寄存器（IOMUX）：配置引脚功能模式
  • 驱动能力寄存器（DS）：控制引脚输出驱动能力
  • 上下拉寄存器（PU/PD）：控制内部上拉或下拉电阻

RK3576 共有 5 组 GPIO 控制器（GPIO0~GPIO4），每组 32 个引脚，合计 160 个 GPIO。M4-R2 底板 40PIN 接口已引出大部分 GPIO，全部为 3.3V 电平。

详见 RK 官方文档：[《Rockchip_Developer_Guide_Linux_Pinctrl_CN.pdf》]

2. 硬件准备

2.1 硬件清单

组件型号/规格数量备注
主控板C-3576BQ 核心板 + M4-R2 底板1
调试串口线USB 转 TTL（3.3V）1波特率 1500000
LED 模块5mm 发光二极管 + 330Ω 限流电阻1或面包板搭建
杜邦线母对母若干
按键模块（可选）轻触按键1用于输入检测
电源适配器5V 电源适配器（Type-C 或 6pin 输入）1空载最小 1000mA

2.2 引脚连接

以 M4-R2 底板 40PIN 的 GPIO3_C1（Pin7）为例：

主控板引脚外设引脚功能说明
GPIO3_C1（40PIN Pin7）LED 正极（经 330Ω 电阻）GPIO 输出控制 LED
GND（40PIN Pin9）LED 负极共地
GPIO3_C1（40PIN Pin7）按键一端GPIO 输入检测
GND（40PIN Pin9）按键另一端共地

实际操作时应选择未被其他功能占用的 GPIO 引脚，M4-R2 底板 40PIN 引脚表见 40PIN 引脚定义。

2.3 硬件确认

确认 GPIO 引脚电压域正确（3.3V），避免烧毁引脚。M4-R2 底板 40PIN 接口为 3.3V 电平，外设 IO 电平不能高于 3.3V。

3. 软件准备

3.1 内核配置

RK3576 的 GPIO 驱动通常默认使能，无需额外配置。确认以下配置已启用：

CONFIG_GPIOLIB=y
CONFIG_GPIO_GENERIC=y
CONFIG_PINCTRL=y
CONFIG_PINCTRL_RK3576=y
CONFIG_OF_GPIO=y

CONFIG_PINCTRL_RK3576 是 RK3576 专用的 Pin-Ctrl 驱动。

3.2 设备树

RK3576 的 GPIO 控制器在设备树中定义为 5 个节点（GPIO0~GPIO4）：

gpio0: gpio@fdd60000 {
    compatible = "rockchip,gpio-bank";
    reg = <0x0 0xfdd60000 0x0 0x100>;
    interrupts = <GIC_SPI 33 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    clocks = <&cru PCLK_GPIO0>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;
    gpio-ranges = <&pinctrl 0 0 32>;
    interrupt-controller;
    #interrupt-cells = <2>;
};

以上节点地址为 RK 平台通用结构示例，具体寄存器基地址与中断号以实际发布的 RK3576 SDK 设备树为准（待板上确认）。

4. 操作步骤

4.1 通过 sysfs 控制 GPIO

4.1.1 查看可用 GPIO

# 查看 GPIO 芯片信息
cat /sys/class/gpio/gpiochip*/label

# 查看 GPIO 数量
ls /sys/class/gpio/gpiochip* | wc -l

4.1.2 导出并控制 GPIO

# 导出 GPIO（以 GPIO3_C1 为例，编号需计算）
echo 97 > /sys/class/gpio/export  # GPIO3_C1 = 3*32 + 2*8 + 1 = 97

# 设置方向为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio97/direction

# 输出高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio97/value

# 输出低电平
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio97/value

# 释放 GPIO
echo 97 > /sys/class/gpio/unexport

GPIO 编号计算公式：组号 * 32 + 组内偏移。GPIO3_C1 = 3 * 32 + 2 * 8 + 1 = 97。

4.1.3 读取 GPIO 输入

# 导出并设置为输入
echo 97 > /sys/class/gpio/export
echo in > /sys/class/gpio/gpio97/direction

# 读取电平
cat /sys/class/gpio/gpio97/value
# 输出 0 或 1

4.2 通过 debugfs 查看 GPIO 状态

# 查看所有 GPIO 控制器的 pin 状态
cat /sys/kernel/debug/gpio

# 输出示例（以实际板卡为准）：
# gpiochip0: GPIOs 0-31, parent: platform/fdd60000.gpio, GPIO0:
#  gpio-0   (                    |led-green           ) out hi
#  gpio-3   (                    |usb-host-pwr-en     ) out hi

4.3 通过 pinctrl 查看引脚状态

# 查看引脚复用状态
cat /sys/kernel/debug/pinctrl/fdd60000.pinctrl/pinmux-pins

# 查看引脚可用状态
cat /sys/kernel/debug/pinctrl/fdd60000.pinctrl/pins

debugfs 中的 pinctrl 路径与寄存器基地址相关，以上为示例路径，以实际板卡输出为准。

4.4 设备树中配置 GPIO

在设备树中使用 GPIO 的标准方式：

my_device {
    compatible = "my,device";
    // GPIO3_C1（40PIN Pin7），高电平有效
    enable-gpios = <&gpio3 17 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
    // GPIO4_C7（40PIN Pin32，PWM0 复用），低电平有效
    reset-gpios = <&gpio4 23 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};

RK3576 GPIO 编号规则：每组 GPIO 有 32 个 pin，编号为 0-31。GPIO3_C1 表示 GPIO3 的 C 组第 1 个 pin，即 3 * 32 + 2 * 8 + 1 = 97。

5. 代码详解

5.1 内核中 GPIO 驱动的注册

// RK3576 GPIO 控制器驱动（简化）
// drivers/pinctrl/pinctrl-rk3576.c

static struct rockchip_pin_bank rk3576_pin_banks[] = {
    RK3576_PIN_BANK_FLAGS(0, 32, "gpio0"),
    RK3576_PIN_BANK_FLAGS(1, 32, "gpio1"),
    RK3576_PIN_BANK_FLAGS(2, 32, "gpio2"),
    RK3576_PIN_BANK_FLAGS(3, 32, "gpio3"),
    RK3576_PIN_BANK_FLAGS(4, 32, "gpio4"),
};

static struct rockchip_pinctrl_info rk3576_pinctrl_info = {
    .pin_banks = rk3576_pin_banks,
    .nr_banks = ARRAY_SIZE(rk3576_pin_banks),
};

5.2 用户空间 GPIO 操作的内核调用链

用户空间 echo 97 > /sys/class/gpio/export
  → gpio_export()
    → gpio_request_one()
      → gpio_direction_output()
        → rockchip_gpio_direction_output()
          → 设置 GPIO 寄存器

6. 常见问题

6.1 GPIO 被其他功能占用

现象： 导出 GPIO 时提示 busy 或设备树中 GPIO 已分配给其他设备

解决方案：

# 查看 GPIO 被谁占用
cat /sys/kernel/debug/gpio
# 查看 pinctrl 状态
cat /sys/kernel/debug/pinctrl/fdd60000.pinctrl/pinmux-pins

在设备树中将占用该 GPIO 的设备节点 status 设为 "disabled"。

6.2 GPIO 编号计算错误

现象： 控制了错误的 GPIO 引脚

解决方案：

# 通过 debugfs 确认实际 GPIO 编号
cat /sys/kernel/debug/gpio

RK3576 GPIO 编号规则：组号 * 32 + 组内偏移（A 组 0-7，B 组 8-15，C 组 16-23，D 组 24-31）。

6.3 GPIO 电压域不匹配

现象： GPIO 输出电平不正确，或外设工作异常

解决方案： 确认 GPIO 引脚的电压域（1.8V 或 3.3V），确保与外设电平匹配。M4-R2 底板 40PIN 为 3.3V 电平，具体电压域配置参考核心板规格书和底板原理图。

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