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在 Linux 内核中，pinctrl 和 GPIO 子系统 是与引脚控制和 GPIO 管理密切相关的两个子系统。它们主要用于嵌入式系统中，帮助驱动程序或应用程序与硬件的引脚和 GPIO 进行交互。这两个子系统常见于 SoC（System on Chip）平台上，用于处理引脚复用、多功能引脚配置、GPIO 方向设置和电平控制等任务。

一、pinctrl 子系统

1. pinctrl 的作用

pinctrl（Pin Control，管脚控制）子系统用于管理 SoC 上的管脚（引脚）和引脚复用。SoC 上的引脚往往可以连接到多个外设，pinctrl 系统通过配置管脚的复用功能，使得不同的设备和驱动能够使用这些引脚。

pinctrl 系统的主要作用：

引脚复用（pin muxing）：设置引脚连接到哪一个外设（例如 UART、SPI、I2C 等）。
引脚配置：设置引脚的电气特性（例如上拉、下拉、电平方向等）。
引脚组配置：对一组相关的引脚进行联合配置。
引脚状态管理：定义和管理引脚在不同设备状态下的配置，例如活动状态、休眠状态等。

2. pinctrl 的基本概念

Pin：单个引脚，位于芯片的外围，负责输入或输出信号。
Pin Muxing（引脚复用）：一个引脚可以与多个外围设备相连，pinctrl 子系统用于选择引脚要连接到的具体设备。
Pin Configuration（引脚配置）：定义引脚的电气特性，例如上拉、下拉、驱动强度等。
Pin Group（引脚组）：多个引脚的集合，通常多个引脚作为一个设备的接口使用。
State（状态）：pinctrl 支持为引脚定义不同的状态，例如设备激活时和进入低功耗模式时的引脚配置。

3. 设备树中的 pinctrl 配置

设备树是嵌入式系统中常用的描述硬件配置的方式。pinctrl 通常在设备树中定义。

示例设备树配置：

&uart0 {pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&uart0_pins>;status = "okay";
};pinctrl@44e10800 {uart0_pins: uart0_pins {pinmux = <PIN_UART0_TX | MUX_MODE0>, <PIN_UART0_RX | MUX_MODE0>;bias-pull-up;drive-strength = <4>;};
};

pinctrl-names：设备的引脚控制状态名称。
pinctrl-0：表示默认状态时的引脚配置。
pinmux：定义引脚与设备的复用关系。
bias-pull-up：表示引脚的上拉配置。
drive-strength：定义驱动强度。

4. pinctrl 的主要内核接口

驱动程序通常会通过 pinctrl API 进行引脚配置。

pinctrl_get()：获取 pinctrl 句柄。
pinctrl_lookup_state()：获取特定状态的配置（如“active”、“idle”状态）。
pinctrl_select_state()：将引脚配置切换到某个状态。

5. pinctrl 使用步骤

在设备树中定义 pinctrl 配置。
在驱动的 probe() 函数中调用 pinctrl_get() 来获取 pinctrl 句柄。
调用 pinctrl_lookup_state() 来获取特定状态的引脚配置。
调用 pinctrl_select_state() 来设置引脚的状态（如活动或休眠）。

二、GPIO 子系统

1. GPIO 的作用

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）是系统中最基本的数字接口，用于控制引脚的电平高低，或读取引脚的电平状态。GPIO 通常用于控制简单的硬件组件（如 LED、按键、继电器等）。

GPIO 子系统提供了以下功能：

GPIO 方向控制：设置 GPIO 引脚的方向（输入或输出）。
GPIO 电平控制：设置输出 GPIO 的电平高低。
GPIO 电平读取：读取输入 GPIO 的电平状态。
中断支持：支持 GPIO 引脚触发中断，通常用于处理按键等输入信号。

2. GPIO 相关 API

内核提供了一些标准的 GPIO 操作函数供驱动使用。

gpio_request()：申请一个 GPIO 引脚。
gpio_free()：释放一个 GPIO 引脚。
gpio_direction_input()：设置 GPIO 为输入模式。
gpio_direction_output()：设置 GPIO 为输出模式，并可以指定初始电平。
gpio_set_value()：设置 GPIO 输出电平（高/低）。
gpio_get_value()：读取 GPIO 输入电平。
gpio_to_irq()：将 GPIO 引脚转换为中断号。
request_irq()：为 GPIO 引脚的中断号注册中断处理函数。

3. GPIO 与设备树的关系

设备树也支持对 GPIO 进行配置和管理，通过设备树可以描述 GPIO 引脚和其相关属性。