Linux pinctrl 子系统：硬件引脚控制的基石
在现代嵌入式系统中，芯片的引脚配置是硬件初始化的关键环节，随着 SoC（System on Chip）的复杂度不断提升，一个芯片往往拥有数十甚至上百个多功能引脚，这些引脚可以配置为 GPIO、I2C、SPI、UART 等不同功能，如何高效、灵活、安全地管理这些引脚的复用和电气属性，成为 Linux 内核设计中必须解决的问题，Linux pinctrl 子系统应运而生，它为驱动程序提供了一套标准化的接口，用于控制芯片的引脚配置,确保硬件资源的正确分配和使用。
pinctrl 子系统的核心概念
理解 pinctrl 子系统，首先需要掌握几个核心概念，这些概念共同构成了 pinctrl 的框架,驱动开发者通过它们来描述和操作引脚。
Pin（引脚）
Pin 是物理世界的实体，即芯片上的一个引脚脚位，在 pinctrl 子系统中，Pin 通常用一个唯一的整数或字符串标识，”GPIO0″、”PA0″ 等，每个引脚都具有可配置的电气属性，如上拉/下拉、驱动能力、输入/输出方向、速度等。
Pin Controller（引脚控制器）
Pin Controller 是一个抽象的硬件模块，它负责管理一组引脚的配置，在 SoC 中，这可能是一个独立的硬件外设，也可能集成在其他模块（如 SoC 的电源管理单元或系统控制器）中，Pin Controller 的功能就是接收配置命令，并实际修改引脚的硬件寄存器,从而改变引脚的功能和电气特性。
Pin Group（引脚组）
在实际应用中，外设通常需要一组引脚协同工作，一个 I2C 接口需要 SCL 和 SDA 两个引脚，一个 SPI 接口需要 MOSI、MISO、SCLK 和 CS 四个引脚，Pin Group 就是将多个具有相同或相关功能的引脚定义为一个集合，pinctrl 子系统允许将整个 Pin Group 作为一个单元进行配置，这大大简化了驱动程序的复杂度，一个 Pin Group 的名称由设备树或板级文件定义，”i2c0-pins”。
Pin State（引脚状态）
Pin State 描述了一个 Pin Group 在特定功能下的完整配置，一个 Pin Group 可能对应多种状态，一个名为 “uart1-pins” 的组，可以有 “default”（默认 UART 功能）、”sleep”（低功耗模式，引脚配置为输入或关闭）、”idle”（空闲模式）等状态，每个状态都详细定义了组内所有引脚的复用功能和电气属性，这种状态机的设计，使得系统在不同工作模式下（如运行、休眠）能够平滑地切换引脚配置。
pinctrl 子系统的工作流程
pinctrl 子系统的工作流程遵循“描述-解析-应用”的清晰路径,整个过程由内核在启动时或设备驱动加载时自动完成。
描述阶段（设备树）
在 ARM 架构的嵌入式系统中，引脚配置信息主要通过设备树（Device Tree）来描述，设备树源文件（.dts）中，pinctrl 节点定义了 Pin Controller 本身，而 pinctrl-* 节点则描述了各个外设的引脚组状态。
&pinctrl {
uart1_pins: uart1-pins {
groups = "uart1_tx", "uart1_rx";
function = "uart1";
bias-pull-up;
};
uart1_sleep_pins: uart1-sleep-pins {
groups = "uart1_tx", "uart1_rx";
function = "gpio";
bias-disable;
};
};
&uart1 {
pinctrl-names = "default", "sleep";
pinctrl-0 = <&uart1_pins>;
pinctrl-1 = <&uart1_sleep_pins>;
status = "okay";
};
在上面的例子中，pinctrl 节点下定义了两个状态：default（对应 uart1_pins）和 sleep（对应 uart1_sleep_pins）。&uart1 设备通过 pinctrl-names 和 pinctrl-0/pinctrl-1 将这些状态与自身绑定，当驱动程序调用 devm_pinctrl_get_select() 函数时，pinctrl 子系统会根据当前状态名称（如 “default” 或 “sleep”）找到对应的配置,并应用到硬件上。
解析阶段（内核初始化）
内核在启动时，会解析设备树中的 pinctrl 节点，对于每个 Pin Controller，内核会创建一个 struct pinctrl_dev 结构体，并将其注册到 pinctrl 核心中，内核会遍历所有定义的 Pin Group 和 Pin State，将它们存储在内核数据结构中，建立从名称到具体配置的映射关系,这个过程为后续的引脚配置做好了准备。
应用阶段（驱动程序调用）
设备驱动程序在初始化时，可以通过标准的 API 与 pinctrl 子系统交互，最常用的 API 包括：
devm_pinctrl_get(): 获取设备关联的 pinctrl 句柄。pinctrl_lookup_state(): 根据状态名称（如 “default”）查找对应的配置。pinctrl_select_state(): 应用选中的引脚配置。
驱动程序通常在 probe() 函数中获取默认状态并应用，在 suspend() 函数中切换到休眠状态，在 resume() 函数中恢复到默认状态，这种机制使得驱动程序无需关心底层硬件寄存器的具体操作,只需声明其所需的引脚配置即可。
pinctrl 与 GPIO 的关系
pinctrl 和 GPIO 是两个紧密相关但又功能不同的子系统，一个常见的比喻是：pinctrl 负责把引脚“插”到正确的插槽上，而 GPIO 负责控制已经“插好”的引脚进行输入输出操作。
- 职责划分：pinctrl 的职责是配置引脚的“身份”，即它是作为 UART 的 TX 引脚，还是作为 I2C 的 SDA 引脚，或者是一个普通的 GPIO，一旦引脚被配置为 GPIO 功能，GPIO 子系统就会接管它，负责控制其电平、中断、 debounce 等操作。
- 协作流程：一个典型的流程是：pinctrl 子系统将引脚配置为 GPIO 功能；GPIO 子系统通过
gpiolib框架请求并操作这个引脚，这种分离设计使得代码结构清晰，职责明确，一个 I2C 驱动在初始化时，会通过 pinctrl 将引脚设置为 I2C 功能；而一个 LED 驱动则会通过 pinctrl 将引脚设置为 GPIO 功能，然后调用 GPIO API 来点亮或熄灭 LED。
总结与优势
Linux pinctrl 子系统通过提供一套标准化的、与硬件无关的 API，极大地简化了嵌入式驱动开发和系统维护的复杂性,它的主要优势体现在：
- 抽象化与可移植性：驱动开发者无需关心具体芯片的引脚控制寄存器，只需在设备树中描述配置，代码可以在不同 SoC 间轻松移植。
- 集中化管理：所有引脚配置信息都集中在设备树中，便于查看、修改和版本控制,避免了硬编码在驱动代码中带来的混乱。
- 状态切换支持：通过
pinctrl-names和pinctrl-select-state，系统能够在不同功耗模式（运行、休眠）下无缝切换引脚配置,这对于移动设备和低功耗应用至关重要。 - 安全性与稳定性：pinctrl 子系统确保了引脚配置的原子性和正确性,避免了多个驱动程序同时配置同一个引脚而导致的冲突。
Linux pinctrl 子系统是现代 Linux 嵌入式平台不可或缺的一部分，它为纷繁复杂的硬件引脚管理建立了一套清晰、高效、可靠的规则，使得驱动开发者能够更加专注于业务逻辑的实现，从而加速产品开发进程，并保证系统的稳定可靠，随着 ARM 架构在更多领域的普及，pinctrl 子系统的重要性也将愈发凸显。
