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Linux驱动开发实战（七）：pinctrl引脚管理入门结合数据手册

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一、什么是 Pinctrl

Pinctrl(引脚控制)子系统主要负责:

• 引脚复用(Pin Multiplexing/Muxing)
• 引脚配置(Pin Configuration)
• 比如设置引脚用作GPIO、UART、I2C等功能,以及设置引脚的上拉下拉、驱动强度等电气特性。

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二、为什么要使用 Pinctrl 子系统

2.1 硬件资源共享的需求

现代 SoC 设计面临一个基本挑战：引脚数量有限，但需要支持的功能越来越多。例如，一个只有100个引脚的芯片可能需要支持多种通信协议（UART、I2C、SPI、SDIO 等）、存储接口和各种控制信号。通过引脚复用技术，单个物理引脚可以支持多种功能，大大提高了芯片的集成度和灵活性。

2.2 软件管理复杂性

没有 Pinctrl 子系统之前，Linux 内核中的引脚配置存在以下问题：

1. 代码重复：每个驱动都需要单独配置引脚，导致大量重复代码
2. 资源冲突：不同驱动可能会尝试将同一引脚配置为不同功能
3. 维护困难：引脚配置分散在各个驱动中，难以统一管理
4. 板级适配繁琐：每更换一块板子，可能需要修改多个驱动的引脚配置

2.3 Pinctrl 子系统的优势

1. 集中管理：统一管理所有引脚配置，避免冲突
2. 解耦合设计：将引脚配置与具体功能驱动分离
3. 状态管理：支持不同状态下（如正常运行、低功耗）切换不同的引脚配置
4. 动态配置：支持运行时动态改变引脚功能和配置
5. 设备树支持：通过设备树描述引脚配置，提高可读性和可维护性

三、基本概念

3.1 引脚复用

现代 SOC 的引脚通常可以复用为多种功能。例如:

• 一个引脚可能既可以用作 GPIO
• 也可以用作 UART 的 TX
• 或者 I2C 的 SCL
  我们需要通过配置相应的寄存器来选择所需的功能。

3.2 引脚配置

除了功能选择,还需要配置引脚的电气特性:

• 上拉/下拉电阻
• 驱动强度
• 压摆率
• 开漏模式等

四、实例分析

pinctrl写在设备树下面
先通过下面这两段pinctrl 设备树代码来分析一下特性

1. 分组管理

从示例中可以看到，pinctrl 将引脚配置分为多个命名组（group）：

• pinctrl_hog_1
• pinctrl_enet1
• pinctrl_enet2
• pinctrl_uart1
• pinctrl_hog_2
• pinctrl_spi4
  这种分组方式允许将功能相关的引脚配置放在一起，便于管理和引用。pinctrl是以组来管理的

2. 引脚控制器多样性

示例中展示了两种不同的引脚控制器：

• &iomuxc：标准的 I/O 复用控制器
• &iomuxc_snvs：安全非易失性存储区域的 I/O 复用控制器

这反映了现代 SoC 通常有多个引脚控制器，每个控制器负责不同区域或不同功能的引脚。

3. 默认配置与状态管理

&iomuxc {pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1>;
}&iomuxc_snvs {pinctrl-names = "default_snvs";pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_2>;
}

这里展示了 pinctrl 的状态管理特性：

• pinctrl-names 定义了状态名称
  pinctrl-names = “default”，“init”,“sleep”;都是状态
• pinctrl-0 对应第一个状态的配置
• 系统启动时会应用 “default” 状态的配置

除了 “default” 状态外，pinctrl 子系统还支持其他状态，如 “sleep”（休眠）、“idle”（空闲）等，这些状态可以根据系统运行状态动态切换。但 “default” 状态是最基础的，也是系统初始化时使用的状态。

4. HOG 组特性

“Hog” 组（pinctrl_hog_1 和 pinctrl_hog_2）是一种特殊的引脚组，用于：

• 直接在控制器级别配置引脚，而不是通过某个特定设备
• 通常用于配置系统启动时就需要设置的引脚，如复位线、CD 检测等
• 被系统默认加载，不需要特定驱动来激活

5. 硬件复用能力

注意到 MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19 这样的定义，这表明：

物理引脚 UART1_RTS_B 被复用为 GPIO1_IO19
同一个物理引脚可以有多种功能选择

6.配置（看数据手册）

以 i.MX6ULL 的 UART1 为例:

pinctrl_uart1: uart1grp {fsl,pins = <MX6UL_PAD_UART1_TX_DATA__UART1_DCE_TX 0x1b0b1MX6UL_PAD_UART1_RX_DATA__UART1_DCE_RX 0x1b0b1>;
};

这里的配置可以分解为:

引脚复用配置

宏 MX6UL_PAD_UART1_TX_DATA__UART1_DCE_TX 展开为 5 个值:
在imx6ul-pinfunc.h里面定义的

#define MX6UL_PAD_UART1_TX_DATA__UART1_DCE_TX     0x0084 0x0310 0x0000 0 0

这些值的含义是:

1. 0x0084: MUX寄存器的偏移地址
2. 0x0310: PAD寄存器的偏移地址
3. 0x0000: MUX模式值(选择 ALT0 功能)
4. 0: SELECT_INPUT寄存器偏移(如无则为0)
5. 0: SELECT_INPUT值

为什么这么定义可以看下面我传的数据手册（重要）

PAD 控制值

0x1b0b1 是 PAD 控制值,用于配置引脚的电气特性:
这是在设备树上配置的

pinctrl_uart1: uart1grp {fsl,pins = <MX6UL_PAD_UART1_TX_DATA__UART1_DCE_TX 0x1b0b1MX6UL_PAD_UART1_RX_DATA__UART1_DCE_RX 0x1b0b1>;
};

0x1b0b1 = 0001 1011 0000 1011 0001

这些位的含义如下（从右到左）：

HYS (bit 16):        0    - 禁用磁滞
PUS (bits 14-15):    00   - 100K欧姆下拉 (00=100K_OHM_PD, 01=47K_OHM_PU, 10=100K_OHM_PU, 11=22K_OHM_PU)
PUE (bit 13):        0    - Keeper
PKE (bit 12):        1    - 使能上拉/下拉
ODE (bit 11):        1    - 开漏输出使能
SPEED (bits 6-7):    10   - 中速率 (00=low(50MHz) 01=medium(100MHz) 10=medium(100MHz) 11=max(200MHz))
DSE (bits 3-5):      110  - 驱动能力为R0/6
SRE (bit 0):         1    - 慢转换率

0x1b0b1 是一个完整的PAD配置值，而不是地址。这个值会被写入到PAD控制寄存器中（比如地址0x20E_0310h）下面的数据手册会看到。

从上面的图片示例中可以看到其他不同的 PAD 配置值：

• 0x17059：用于 SD 卡和 GPIO 配置
• 0x1b0b0：用于以太网接口配置
• 0x1b0b1：用于 UART 接口配置
• 0x4001b031：用于以太网时钟引脚特殊配置
• 0x80000000：用于 SNVS 区域的特殊配置
  这些值反映了不同引脚功能对电气特性的不同需求。

数据手册与配置值的对应

数据手册中显示:

SW_MUX_CTL_PAD_UART1_TX_DATA
Address: 20E_0000h base + 84h offset = 20E_0084h

基地址加偏移地址=寄存器地址
对应设备树中:

iomuxc: iomuxc@20e0000 {    // 基地址: 0x20E0000compatible = "fsl,imx6ul-iomuxc";reg = <0x20e0000 0x4000>;  // 寄存器范围
};

从数据手册(最下面的大框)可以看到:

MUX_MODE字段(位2-0)设置为000，选择ALT0模式作为UART1_TX
SION位(位4)设置为0，表示由功能决定输入路径
这正好对应了宏定义中的mux_mode = 0，选择UART1_TX功能。
这里正好对应的是上面我讲过的
imx6ul-pinfunc.h里面

#define MX6UL_PAD_UART1_TX_DATA__UART1_DCE_TX     0x0084 0x0310 0x0000 0 0

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总结

Pinctrl 子系统是现代嵌入式 Linux 系统的关键组件，通过提供统一、灵活的引脚管理机制，它解决了引脚资源有限与功能需求多样之间的矛盾，是设备驱动开发中不可或缺的基础设施。下一篇我会更深入的讲解Pinctrl 子系统的内容