Linux的GPIO子系统(gpiolib)的原理详解【每个GPIO控制器对应于一个gpio_chip结构体】【如何查看每个GPIO控制器的详细情况】【如何利用其操作具体的GPIO口】

引言

GPIO是高频使用的硬件资源，所以Linux专门搞了一套GPIO子系统来对其进行管理，目的就是方便大家使用片上或板上的GPIO资源。

虽然之前已经利用GPIO子系统来实现过LED的驱动和按键的中断驱动了，但是对GPIO子系统的原理和结构还是比较模糊的，所以在这篇博文中仔细学习一下GPIO子系统。
之前用GPIO子系统来实现LED的驱动和按键的中断驱动的博文链接如下：
http://iyenn.com/rec/1709341.html
http://iyenn.com/rec/1709342.html

重要概念:对各个GPIO口的操作,是通过GPIO控制器实现的

对各个 GPIO 口（GPIO 引脚）的操作，是通过 GPIO 控制器（GPIO Controller）实现的。
在 Linux 内核中，GPIO 控制器由 GPIO 控制器驱动 管理，并通过 GPIO 子系统（gpiolib） 统一提供 API，使用户空间和其他内核驱动可以方便地访问 GPIO 口。

GPIO 控制器（GPIO Controller） 是一个管理多个 GPIO 引脚的硬件模块，通常集成在 SoC（如 IMX6ULL）中。它的主要作用是：

  • 通过 寄存器 控制 GPIO 口的 输入/输出 模式
  • 允许 使能/禁用 GPIO 口
  • 提供 中断控制（如果支持）
  • 管理 复用功能（Muxing）（部分引脚可能被复用为其他功能，如 I2C、UART、PWM）

在 Linux 中，GPIO 控制器通常会注册为一个 gpio_chip，并由 GPIO 子系统（gpiolib) 进行统一管理。对于 IMX6ULL，GPIO 控制器由 gpio-mxc 驱动管理。

GPIO子系统(gpiolib)的原理

问：gpiolib是不是就是我们所说的GPIO子系统？

是的，gpiolib 就是我们通常所说的 GPIO 子系统（GPIO Subsystem）！

1. 什么是 gpiolib？

gpiolib（GPIO Library）是 Linux 内核中的 GPIO 子系统，它提供了一套 统一的 GPIO 处理框架，用于管理不同 SoC 平台的 GPIO 控制器。

它的主要功能包括：

  • 管理 GPIO 控制器（gpiochip）：支持多个 GPIO 控制器（比如 gpiochip0、gpiochip1）。
  • 提供 /sys/class/gpio/ 接口（Legacy sysfs，较老的方法）。
  • 支持 gpiod_*() API（更现代的 libgpiod 接口）。
  • 支持 GPIO 消息通知（如 gpio_request_irq() 处理中断）。
  • 抽象不同硬件的 GPIO 访问方式（比如基于 I2C、SPI、SoC 内部 GPIO 控制器）。

2. gpiolib 与 GPIO 子系统的关系

在 Linux 内核架构中：

  • GPIO 子系统 = gpiolib + 各个 GPIO 驱动
  • GPIO 控制器（gpiochip）是具体的硬件设备，而 gpiolib 负责提供管理框架。

可以简单理解为：

Linux 内核
└── GPIO 子系统（gpiolib）
    ├── GPIO 控制器驱动（如 `fsl-imx6ul-gpio`）
    ├── GPIO 用户接口（sysfs、libgpiod、device tree）
    ├── GPIO 虚拟总线（/sys/bus/gpio/）
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3.gpio_chip 结构体的介绍(核心数据结构)

gpio_chip 结构体是 Linux 内核 GPIO 子系统（gpiolib） 用来表示 GPIO 控制器（GPIO Controller） 的数据结构，每个 GPIO 控制器都必须有一个对应的 gpio_chip 结构体。可以说它是GPIO 子系统（gpiolib）的核心数据结构。

struct gpio_chip {
    const char *label;          // 控制器名称
    struct device *parent;      // 父设备
    int base;                   // GPIO 编号基地址（-1 代表动态分配）
    u16 ngpio;                  // 控制的 GPIO 数量
    struct module *owner;       // 所属驱动模块
    int (*direction_input)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    int (*direction_output)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
    int (*get)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset);
    void (*set)(struct gpio_chip *chip, unsigned offset, int value);
};
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作用

  • 代表 一个 GPIO 控制器，它可以管理多个 GPIO 引脚。
  • 定义了 GPIO 操作函数（如 set()、get()、direction_output()）。
  • 由 gpiolib 统一管理，并向用户空间提供 /sys/class/gpio/ 接口。

GPIO子系统的正常工作需要BSP的支持

GPIO子系统使得我们在屏蔽硬件底层操作的情况下，方便的实现对GPIO口的控制。由于这套系统存在，我们的系统启动后就能直接操作GPIO口。
底层的操作包含在BSP（Board Support Package，板级支持包） 中，所以gpio_chip 结构体通常由 BSP（Board Support Package，板级支持包） 提供。
所以GPIO子系统的实现是需要BSP支持的。

4. gpiolib 的工作方式

当 GPIO 控制器驱动（比如 fsl-imx6ul-gpio）加载时，它会：

  1. 注册 gpio_chip 结构体：

    • 将 gpio_chip 结构体通过 gpiochip_add_data() 或 devm_gpiochip_add_data() 向 gpiolib 注册 ，从而实现GPIO 控制器的注册。
    • gpio_chip 结构体注册完成后，gpiochip 设备(即GPIO控制器)会出现在 /sys/class/gpio/gpiochipX，同时也会出现在 /sys/bus/gpio/devices/。★★★

  2. 管理 GPIO 资源：

    • 允许用户空间访问 GPIO（通过用户接口sysfs 或 libgpiod实现）。
    • 提供 gpiod_get() / gpiod_direction_output() / gpiod_set_value() 等 API 供内核调用。

  3. 支持 GPIO 消息通知：

    • 处理 GPIO 输入/输出方向配置。
    • 允许 GPIO 触发中断（IRQ）。

5. 结论

✅ gpiolib 就是 GPIO 子系统，它提供了统一的 GPIO 处理框架。
✅ GPIO 控制器驱动（如 fsl-imx6ul-gpio）通过 gpiochip_add_data() 接口向 gpiolib 注册，成为 gpiochipX 设备。
✅ 用户可以通过 sysfs（较老方式）或 libgpiod（新方式）访问 GPIO，gpiolib 负责调度。

所以，GPIO 子系统 = gpiolib，它是 Linux 内核管理 GPIO 资源的核心机制！ ?

片外的GPIO资源如何管理？

GPIO 子系统（gpiolib）通常用于管理片上（SoC 内部）的 GPIO 资源，而不是直接管理片外（外部扩展）的 GPIO 资源。

1. 片上 GPIO（On-Chip GPIO）

片上的 GPIO 指的是 SoC 自带的 GPIO 控制器所管理的 GPIO 引脚，例如：

  • i.MX6ULL 的 gpio1 ~ gpio5（如 209c000.gpio）。
  • 这些 GPIO 控制器通常由 SoC 内部的寄存器控制，并通过 gpiolib 统一管理。
  • 在设备树（DTS）中，片上 GPIO 资源通常是这样定义的：
    gpio1: gpio@209c000 {
    compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio";
    reg = <0x0209C000 0x4000>;
    gpio-controller;
    #gpio-cells = <2>;
};
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✅ 片上 GPIO 受 gpiolib 管理，出现在 /sys/class/gpio/ 和 /sys/bus/gpio/devices/。

2. 片外 GPIO（Off-Chip GPIO）

片外 GPIO 指的是 通过 I2C、SPI、PCI 或其他接口扩展的 GPIO 设备，例如：

  • I2C GPIO 扩展芯片（如 PCF8574、PCA9535）。
  • SPI GPIO 扩展芯片（如 MCP23S17）。
  • FPGA 或 CPLD 作为 GPIO 扩展。

这些 GPIO 并不是 SoC 自带的，而是通过 外部接口（I2C/SPI/PCI）连接，所以：

  1. 片外 GPIO 需要额外的驱动来管理。
  2. GPIO 子系统不会直接管理这些 GPIO 控制器，但可以通过驱动将它们注册为 gpio_chip，让 gpiolib 统一管理。

比如，I2C GPIO 扩展芯片 PCA9535 的设备树定义：

&i2c1 {
    gpio_expander@20 {
        compatible = "nxp,pca9535";
        reg = <0x20>;
        gpio-controller;
        #gpio-cells = <2>;
    };
};
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这样，PCA9535 的 16 个 GPIO 口就会在 GPIO 子系统 里注册为 gpiochipX，用户可以像操作片上 GPIO 那样来使用它们。

✅ 片外 GPIO 不是 SoC 自带的，但可以通过 gpio_chip 机制让 gpiolib 统一管理。

3. gpiolib 是否能管理片外 GPIO？

gpiolib 本身不直接管理片外 GPIO，但 如果片外 GPIO 控制器的驱动支持 gpiolib，那么它也可以被 GPIO 子系统管理。
? 这就是为什么 I2C/SPI GPIO 扩展芯片可以出现在 /sys/class/gpio/ 里！

✅ 如果片外 GPIO 的驱动实现了 gpio_chip 机制，它就能被 GPIO 子系统管理。
❌ 如果驱动没有实现 gpio_chip，那它就不会出现在 GPIO 子系统中，而是由其他子系统（I2C/SPI/PCI）管理。

4. 结论

✔ GPIO 子系统（gpiolib）主要管理 SoC 片上的 GPIO 资源。
✔ 片外 GPIO（I2C/SPI 扩展的 GPIO）默认不受 gpiolib 直接管理，但可以通过 gpio_chip 机制注册到 GPIO 子系统。
✔ 如果片外 GPIO 驱动支持 gpio_chip，它就能像片上 GPIO 一样被操作。

如何查看GPIO子系统里有哪些GPIO控制器,每个GPIO控制器的详细信息怎么查看

在上面对“gpiolib的工作方式”的叙述中，我们知道当 GPIO 控制器的驱动加载时，它会利用函数 gpiochip_add_data() 或 devm_gpiochip_add_data() 向 gpiolib 向 gpiolib 注册gpio_chip 结构体，注册完成后，，gpiochip 设备(即GPIO控制器)会出现在 /sys/class/gpio/gpiochipX，同时也会出现在 /sys/bus/gpio/devices/。

所以我们查看目录/sys/bus/gpio/devices/或目录/sys/class/gpio/就可以知道系统中有哪些GPIO控制器。

在我的开发板上运行下面的命令：

ls /sys/bus/gpio/devices/
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结果如下：
在这里插入图片描述
从上面的运行结果中可以看出，一共有6个GPIO控制器的gpiochip结构体，IMX6ULL本来只有5组GPIO口，即5个GPIO控制器，那么为什么会有6个GPIO控制器呢？请往后面看，后面有答案。

再运行下面的命令：

ls /sys/class/gpio/
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在这里插入图片描述
从上面的运行结果中可以看出，系统中有6个与GPIO相关的设备类，每个名字后面的数字代表其对应的GPIO口的超始编号。IMX6ULL本来只有5组GPIO口，那么为什么会有6个GPIO的设备类？请往后面看，后面有答案。

下面来回答上面两条命令遗留的问题。

可以用下面命令来查看每个gpio_chip 结构体的详细情况：

cat /sys/kernel/debug/gpio
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运行结果如下：
在这里插入图片描述

gpiochip0: GPIOs 0-31, parent: platform/209c000.gpio, 209c000.gpio:
 gpio-5   (                    |goodix_ts_int       ) in  hi IRQ
 gpio-19  (                    |cd                  ) in  hi IRQ
 gpio-20  (                    |spi_imx             ) out hi    

gpiochip1: GPIOs 32-63, parent: platform/20a0000.gpio, 20a0000.gpio:

gpiochip2: GPIOs 64-95, parent: platform/20a4000.gpio, 20a4000.gpio:
 gpio-68  (                    |lcdif_rst           ) out hi    

gpiochip3: GPIOs 96-127, parent: platform/20a8000.gpio, 20a8000.gpio:
 gpio-120 (                    |spi_imx             ) in  lo    
 gpio-122 (                    |spi_imx             ) in  lo    

gpiochip4: GPIOs 128-159, parent: platform/20ac000.gpio, 20ac000.gpio:
 gpio-130 (                    |goodix_ts_rst       ) out hi    
 gpio-134 (                    |phy-reset           ) out hi    
 gpio-135 (                    |spi32766.0          ) out hi    
 gpio-136 (                    |?                   ) out lo    
 gpio-137 (                    |phy-reset           ) out hi    
 gpio-138 (                    |spi4                ) out hi    
 gpio-139 (                    |spi4                ) out lo    

gpiochip5: GPIOs 504-511, parent: spi/spi32766.0, 74hc595, can sleep:
 gpio-505 (                    |?                   ) out hi
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因为一个gpiochip结构体代表一个GPIO控制器，所以从上面的运行结果就可以看到每个GPIO控制器的详情情况了。

我们可以看到，之所以系统中出现了6个GPIO控制器，是因为板上通过SPI总线连接74hc595形成了扩展GPIO（SPI总线是一种串行总线，而74hc595能将串行数据转换为并行输出），即SPI总线和74hc595共同构成了一个含GPIO控制器功能和GPIO功能的结构。这个扩展的GPIO被识别成了gpiochip5结构体，所以多了一个GPIO控制器。
从这里也可以看出，片外的GPIO资源的确如前面所述，也是可以通过GPIO子系统(gpiolib)来管理的。

另外，从运行结果我们可以看出，实际上片内的GPIO的驱动是通过platform来实现的，相关的证据在下图中用红线勾画出来了：
在这里插入图片描述
从运行结果我们还可以得出下面的信息：

gpiochip0对应于IMX6ULL的GPIO1，并把GPIO1的各GPIO口分别编号为0~31【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为209c000；
gpiochip1对应于IMX6ULL的GPIO2，并把GPIO2的各GPIO口分别编号为32~63【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为20a0000；
gpiochip2对应于IMX6ULL的GPIO3，并把GPIO3的各GPIO口分别编号为64~95【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为20a4000；
gpiochip3对应于IMX6ULL的GPIO4，并把GPIO4的各GPIO口分别编号为96~127【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为20a8000；
gpiochip4对应于IMX6ULL的GPIO5，并把GPIO5的各GPIO口分别编号为128~159【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为20ac000；

有了上面的信息，我们就可以计算出某个具体的GPIO口的编号。当然在博文 http://iyenn.com/rec/1709342.html 中我们可以用函数of_get_gpio_flags()获取到某个GPIO口的编号。

我们可以看芯片手册，发现这些基地址是对的，如下图所示：
在这里插入图片描述

终端中如何利用GPIO子系统(gpiolib)操作GPIO口

现在我要在终端中对GPIO5_IO03进行操作，通过它控制LED2:
在这里插入图片描述

根据上面的得到的信息：

gpiochip0对应于IMX6ULL的GPIO1，并把GPIO1的各GPIO口分别编号为0~31【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为209c000；
gpiochip1对应于IMX6ULL的GPIO2，并把GPIO2的各GPIO口分别编号为32~63【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为20a0000；
gpiochip2对应于IMX6ULL的GPIO3，并把GPIO3的各GPIO口分别编号为64~95【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为20a4000；
gpiochip3对应于IMX6ULL的GPIO4，并把GPIO4的各GPIO口分别编号为96~127【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为20a8000；
gpiochip4对应于IMX6ULL的GPIO5，并把GPIO5的各GPIO口分别编号为128~159【一共32个GPIO口】，其寄存器基地址为20ac000；

可以计算出GPIO5_IO03的编号为128+3=131 【注意：具体的GPIO口是从0开始编号的，但是GPIO组的组号是从1开始编号的。】

有了 GPIO的编号就可以用下面的方法对其进行操作了：

方式 1：利用sysfs伪文件系统（旧方法）

使用下面的命令：

echo 131 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio131/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio131/value
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实际上是通过 sysfs伪文件系统 /sys/class/gpio/ 间接操作 GPIO 控制器，让它设置 GPIO131 的方向和输出值。
这三条命令的详细解释见 http://iyenn.com/rec/1709312.html 【搜索“一个实际的例子分析”】
上面的三条命令运行完后，在下面的原理图基础上，灯灭了。
在这里插入图片描述
再运行下面的命令，灯又亮了：

echo 0 > /sys/class/gpio/gpio131/value
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但这种方式在 Linux 5.10 及以上版本中已被废弃，官方推荐使用 libgpiod。

方式 2：libgpiod(gpiod API)（新方法，推荐）

# 设置 GPIO131 为高电平
gpioset gpiochip0 131=1
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这种方法直接调用 GPIO 控制器驱动提供的 API，比 sysfs 更高效。虽然资料显示，libgpiod(gpiod API)在Linux_4.8被引入，在4.11中被稳定，而我当前用的版本为4.9，有可能有，有可能没有，我实测了下，没有…
在这里插入图片描述

程序中如何如何利用GPIO子系统(gpiolib)操作GPIO口

详见 http://iyenn.com/rec/1709286.html

问题探讨:为什么没有相关的设备文件生成？

在看下面的解释前可以先看下博文 http://iyenn.com/rec/1709312.html 的第1个目录中我对“sysfs伪文件”和“设备文件”的区分【搜索“sysfs伪文件系统实际上和设备文件很类似”】。由于GPIO子系统(gpiolib)并不使用驱动程序的那套东西，所以没有设备文件的生成，但也可以通过sysfs伪文件去控制GPIO子系统中的那些GPIO口。

GPIO 子系统并不会为每个 GPIO 控制器创建设备文件。

在 Linux 内核中，GPIO 控制器被抽象为 gpio_chip 结构，并由 gpiolib 统一管理，但它 不会作为字符设备（/dev/ 设备文件）直接暴露给用户空间。

1. GPIO 控制器不会创建 /dev/gpioX 这样的设备文件

与 I2C、SPI、UART 这些子系统不同，GPIO 控制器：

  • 不会 通过 /dev/ 创建设备文件（如 /dev/gpioX）。
  • 其控制方式 主要通过 sysfs、ioctl 或 libgpiod 进行。
  • 在 /sys/class/gpio/ 仅提供了一个接口，而不是传统的设备节点。

为什么 GPIO 控制器不创建 /dev/ 设备文件？

  1. GPIO 本质上是单个引脚，而不是一个完整的字符/块设备

    • I2C、SPI、UART 是面向数据流的接口，需要 /dev/ 设备文件进行读写操作。
    • 而 GPIO 只是 高低电平的开关，没有连续的数据流，因此通常不使用 /dev/ 设备文件。

  2. GPIO 控制器被 gpiolib 统一管理

    • Linux 采用 gpio_chip 结构来管理 GPIO 控制器，每个 gpio_chip 负责多个 GPIO 引脚。
    • 用户访问 GPIO 时，通常通过 /sys/class/gpio/ 或 libgpiod 访问，而不是通过设备文件。

2. 那么 GPIO 控制器在系统中表现为什么？

虽然 没有 /dev/gpioX 这样的设备文件，但 GPIO 控制器仍然在 /sys 下可见，主要体现在以下几个地方：

(1) /sys/class/gpio/（用户空间控制 GPIO）

ls /sys/class/gpio/
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可能会看到：

export  gpiochip0  gpiochip32  gpiochip64  gpiochip96  unexport
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  • gpiochipX 代表不同的 GPIO 控制器，每个控制器管理多个 GPIO 口。
  • export / unexport 用于申请或释放 GPIO 口。

查看某个 GPIO 控制器的信息：

cat /sys/class/gpio/gpiochip0/label
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可能输出：

gpio-mxc
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表示这个 GPIO 控制器由 gpio-mxc 驱动管理。

(2) /sys/kernel/debug/gpio（调试 GPIO 口状态）

如果内核开启了 CONFIG_GPIO_SYSFS 选项，可以通过以下命令查看所有 GPIO 口的状态：

cat /sys/kernel/debug/gpio
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示例输出：

gpiochip0: GPIOs 0-31, parent: platform/30200000.gpio, gpio-mxc:
 gpio-10  (sysfs               ) out lo  
 gpio-20  (sysfs               ) in  hi
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这表示：

  • gpiochip0 管理 GPIO0~GPIO31
  • GPIO10 通过 sysfs 导出，方向是 输出，当前电平是 低
  • GPIO20 通过 sysfs 导出，方向是 输入，当前电平是 高

(3) /sys/bus/gpio/（GPIO 设备管理）

ls /sys/bus/gpio/
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可能看到：

devices  drivers  drivers_autoprobe  drivers_probe  uevent
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但 /sys/bus/gpio/drivers/ 目录通常为空，因为 大部分 GPIO 控制器不会在 gpio 总线下注册驱动，而是作为 platform device 存在。

3. 其他子系统的对比

子系统设备文件 (/dev/)主要管理方式
GPIO❌ 无sysfs（旧）、libgpiod（推荐）
I2C✅ /dev/i2c-Xi2c-dev 通过 ioctl 访问
SPI✅ /dev/spidevX.Xspidev 进行数据传输
UART✅ /dev/ttySx通过 read/write/ioctl 访问

可以看出，GPIO 不像 I2C、SPI、UART 那样需要 /dev/ 设备文件，而是通过 sysfs 或 libgpiod 进行管理。

4. 结论

✅ GPIO 子系统不会创建 /dev/gpioX 这样的设备文件，因为 GPIO 只是开关信号，不是数据流设备。
✅ GPIO 控制器在 /sys/class/gpio/ 中可见，但它们作为 gpio_chip 由 gpiolib 统一管理，而不是独立的设备文件。
✅ 推荐使用 libgpiod 而不是 sysfs 进行 GPIO 操作，因为 sysfs 方式在Linux 5.10中已被废弃（不过我使用的4.9版本里还没有引入，是4.11才正式引入的。）。

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注：本文转载自blog.csdn.net的昊虹AI笔记的文章"https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/145444452"。版权归原作者所有，此博客不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如有侵权，请联系我们删除。
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