rt-thread 驱动篇（七）GPIO驱动
前言 一提 gpio 可能会让很多人觉得不屑，这么简单的东西有什么可说的，也就是一个拉低拉高，谁不会呢。
今天我们不讲推挽开漏、不提上拉下拉。大家来头脑风暴一下 gpio 相关的几个问题。笔者说的不一定对，仅代表个人的一点儿小想法。
提出两个问题 有两个问题，需要考虑一下：
1. pin 设备驱动框架存在的必要性。
2. gpio 底层驱动使用官方提供的 api 还是直接寄存器操作？
在单片机里，pin 引脚操作往往很简单，写一个寄存器就成。但是在一个操作系统里，为了方便移植、便于阅读，对 pin 进行封装，在不同芯片上使用同一套 api 也还是有必要的。而这也正是一个操作系统的职责之一。
第二个问题，留着大家自己想吧。
pin 驱动框架 我们大家都知道，在我们使用 pin 的时候，没有谁先用 `rt_device_find` 查找 pin 设备，然后使用用 `rt_device_open` `rt_device_read` `rt_device_write` 去控制芯片引脚。而都是直接调用的 `rt_pin_xxx` c 函数簇。
pin 驱动框架，先把所有的 gpio 看作一个设备进行注册，然后提供了三个 `rt_pin_mode` `rt_pin_read` `rt_pin_write` c 函数，而不是 `rt_device_xxx` api 去访问某个 pin。
`rt_pin_mode` `rt_pin_read` `rt_pin_write` 这一套函数，可以不用考虑当前使用的是什么芯片，不用考虑芯片厂商提供的外设驱动库 api 是怎么写的。但是，真的是这样吗？
可以把驱动框架删掉，`rt_pin_xxx` 函数直接对接底层驱动吗？
当笔者阅读模拟 iic 驱动源码时，看到在控制 scl sda 高低电平切换时使用的 `rt_pin_write` 操作，一时间脑子一阵晕眩。为什么？我们先捋顺一下拉低 sda 的函数调用过程。
以 `sda_l` 为例
1. `sda_l` 宏是 `ops->set_sda(ops->data, val)` 通过操作符指针调用底层接口，
2. `set_sda` 调用 `rt_pin_write`
3. `rt_pin_write` 通过 pin 设备执行 `_hw_pin.ops->pin_write` 调用的 pin 底层接口
4. 在 stm32 平台上 `_hw_pin.ops->pin_write` 等于调用 `stm32_pin_write` 函数
5. `stm32_pin_write` 调用 `hal_gpio_writepin`
6. `hal_gpio_writepin` 函数写寄存器。
弯弯绕绕，想控制 pin 引脚电平变化还真是煞费苦心了。
可以压缩上述调用过程吗？
`sda_l` 宏直接定义调用 `stm32_pin_write` ，`stm32_pin_write` 内部直接操作寄存器。
soft iic 驱动 软件模拟 iic 驱动需要软件代码控制 scl sda 两根线时序，如前所述，拉低 sda 线的过程被繁冗化了。
裸机能达到的 iic 时钟速度，在使用 rt-thread 的模拟 iic 时根本达不到，在多级指针和函数调用过程中，效率被极大降低了。
有没有一种策略，使 `sda_l` 宏直接定义成 `stm32_pin_write` 或者 `gd32_pin_write` 等等。
笔者尝试把 i2c-bit-ops.c 文件和 drv_soft_i2c.c 两个文件进行合并，省掉了一级 `struct rt_i2c_bit_ops`，然后 `sda_l` 也不使用 `rt_pin_write` 又跳过了多次指针调用。目前感觉良好。
get_pin 有哪位能告诉大家， `rt_pin_write(17, pin_high)` 这句代码有明确的语义吗？
函数调用中的第一个参数值 “17” 表示了什么？
可能啥也不代表。
首先，它肯定不是芯片引脚编号。
大多数芯片，gpio 编码采用的类似如下方式：
- 以端口编码，一颗芯片上的 gpio 可以分成若干个端口，用字母 a b c ... 命名（也有 1 2 3 编号命名的，比如 ra6m4）。我们称之为 pa pb pc ...
- 每个端口有8/16个 io 。分别编码 0-7 或者 0-15。有些芯片上的某个端口只有 15 个 io ，那就只有 0-14 有效。我们称之为 pa0 pa15
为了不使用魔数 “17” ，这种模棱两可，含义不明的写法，rt-thread 针对每种芯片要求定义一个 `get_pin` 宏，它可以从一种直观的引脚编号写法中返回一个数字。比如 `get_pin(g, 1)` 的结果是 97。
使用 `get_pin` `rt_pin_write(17, pin_high)` 可以写成 `rt_pin_write(get_pin(b, 1), pin_high)` ，这样是不是更直观了？
但是，有一种情况，不允许我们用 `get_pin` 。那就是在 menuconfig 或者 rt-studio 的 settings 里配置模拟 iic 两个引脚号的时候。它只支持输入数字，这个时候我们必须知道 `get_pin` 的数学含义，心算把 `get_pin(b, 1)` 转成 17 。
`get_pin` 的数学含义是确定的吗？是放之四海而皆准的吗？在每一款芯片上可以使用同一个数学公式演算吗？
**这个可以是，但实际却不是**。
另类的 ab32 ra6m4 n32 我们仍然以 17 这个编号为例，下面来看看 ab32 ra6m4 上面它分别代表哪个 gpio 。
ab32 上应该是 pe4。
ab32 版 `get_pin` 是这样的:
#define __ab32_port(port) gpio##port#define __ab32_get_pin_a(pin) pin#define __ab32_get_pin_b(pin) 8 + pin#define __ab32_get_pin_e(pin) 13 + pin#define __ab32_get_pin_f(pin) 21 + pin 几个端口不通用，各自为战
ra6m4 上不存在。因为 ra6m4 的 p100 对应的是 256 ；p015 对应的是 15 。没有 17 这个编号。
ab32 版 `get_pin` 未实现。
还有 n32，上面笔者说了句“它肯定不是芯片引脚编号”。但是，我又发现在 n32 的drv_gpio.c 中，定义成了芯片引脚号。打脸了...
n32 版 `get_pin` 也未实现。
还有其它芯片是上述三种情况之外的吗？欢迎大家讲出来。
明确的应用层语义 不失一般性，假设可能存在某芯片端口编号不是连续的，中间缺失端口b。同时端口 a 也只有 12 个 io。我们把所有的端口和 io 进行排序编号。pa0 是 0 号、pa1 是 1 号 ... pa11 是 11 号。那么，pc0 编号是多少？12吗？
假如有一同系列芯片，它是有端口 b 的。那么 pb0 编号该定义成多少合适呢？也是 12 吗？
> 或者，干脆我们就假定所有的芯片端口都是连续无缺失的，每个端口也是满满当当 16 个 io 。这样 pb0 总是 16，pc0 总是 32。
从理论上讲，所有的芯片 gpio 编号系统是可以用一个公式实现的，这个公式可以在 rt-thread 使用宝典（2022-0516更新）中找到。
ra6m4 上，应用程序层可以使用 17 表示 p101，因为它的端口编号从 0 开始；
n32 上，应用程序层可以使用 17 表示 pb01，因为它的端口编号从 a 开始；
stm32 上，应用程序层可以使用 17 表示 pb01，因为它的端口编号从 a 开始；
ab32 上，应用程序层可以使用 17 表示 pb01，因为它的端口编号从 a 开始
无论用的哪家芯片，无论是哪个系列芯片，无论是哪款型号，它有多少引脚。我们希望 17 这个值能对应一个明确的引脚名。不会因为某系列芯片中某子型号因为其中某个端口 io 数量少一个导致后面所有 io 的编号都变了。又或者同样的 pb01 在不同子型号不同封装下的编号也不一样。
结束语 大家有什么意见和想法，一块儿聊聊啊。
> 把不同芯片的差异性进行封装，提供给应用层语义明确的接口，是一个操作系统的职责之一。
复杂事情简单化，简单的事情保留那一点儿纯粹。这也是封装的基本原则。
写应用程序代码时，我们不想关心底层的实现，这是另一个操作系统的职责之一。
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提出两个问题 有两个问题，需要考虑一下：
1. pin 设备驱动框架存在的必要性。
2. gpio 底层驱动使用官方提供的 api 还是直接寄存器操作？
在单片机里，pin 引脚操作往往很简单，写一个寄存器就成。但是在一个操作系统里，为了方便移植、便于阅读，对 pin 进行封装，在不同芯片上使用同一套 api 也还是有必要的。而这也正是一个操作系统的职责之一。
第二个问题，留着大家自己想吧。
pin 驱动框架 我们大家都知道，在我们使用 pin 的时候，没有谁先用 `rt_device_find` 查找 pin 设备，然后使用用 `rt_device_open` `rt_device_read` `rt_device_write` 去控制芯片引脚。而都是直接调用的 `rt_pin_xxx` c 函数簇。
pin 驱动框架，先把所有的 gpio 看作一个设备进行注册，然后提供了三个 `rt_pin_mode` `rt_pin_read` `rt_pin_write` c 函数，而不是 `rt_device_xxx` api 去访问某个 pin。
`rt_pin_mode` `rt_pin_read` `rt_pin_write` 这一套函数，可以不用考虑当前使用的是什么芯片，不用考虑芯片厂商提供的外设驱动库 api 是怎么写的。但是，真的是这样吗？
可以把驱动框架删掉，`rt_pin_xxx` 函数直接对接底层驱动吗？
当笔者阅读模拟 iic 驱动源码时，看到在控制 scl sda 高低电平切换时使用的 `rt_pin_write` 操作，一时间脑子一阵晕眩。为什么？我们先捋顺一下拉低 sda 的函数调用过程。
以 `sda_l` 为例
1. `sda_l` 宏是 `ops->set_sda(ops->data, val)` 通过操作符指针调用底层接口，
2. `set_sda` 调用 `rt_pin_write`
3. `rt_pin_write` 通过 pin 设备执行 `_hw_pin.ops->pin_write` 调用的 pin 底层接口
4. 在 stm32 平台上 `_hw_pin.ops->pin_write` 等于调用 `stm32_pin_write` 函数
5. `stm32_pin_write` 调用 `hal_gpio_writepin`
6. `hal_gpio_writepin` 函数写寄存器。
弯弯绕绕，想控制 pin 引脚电平变化还真是煞费苦心了。
可以压缩上述调用过程吗？
`sda_l` 宏直接定义调用 `stm32_pin_write` ，`stm32_pin_write` 内部直接操作寄存器。
soft iic 驱动 软件模拟 iic 驱动需要软件代码控制 scl sda 两根线时序，如前所述，拉低 sda 线的过程被繁冗化了。
裸机能达到的 iic 时钟速度，在使用 rt-thread 的模拟 iic 时根本达不到，在多级指针和函数调用过程中，效率被极大降低了。
有没有一种策略，使 `sda_l` 宏直接定义成 `stm32_pin_write` 或者 `gd32_pin_write` 等等。
笔者尝试把 i2c-bit-ops.c 文件和 drv_soft_i2c.c 两个文件进行合并，省掉了一级 `struct rt_i2c_bit_ops`，然后 `sda_l` 也不使用 `rt_pin_write` 又跳过了多次指针调用。目前感觉良好。
get_pin 有哪位能告诉大家， `rt_pin_write(17, pin_high)` 这句代码有明确的语义吗？
函数调用中的第一个参数值 “17” 表示了什么？
可能啥也不代表。
首先，它肯定不是芯片引脚编号。
大多数芯片，gpio 编码采用的类似如下方式：
- 以端口编码，一颗芯片上的 gpio 可以分成若干个端口，用字母 a b c ... 命名（也有 1 2 3 编号命名的，比如 ra6m4）。我们称之为 pa pb pc ...
- 每个端口有8/16个 io 。分别编码 0-7 或者 0-15。有些芯片上的某个端口只有 15 个 io ，那就只有 0-14 有效。我们称之为 pa0 pa15
为了不使用魔数 “17” ，这种模棱两可，含义不明的写法，rt-thread 针对每种芯片要求定义一个 `get_pin` 宏，它可以从一种直观的引脚编号写法中返回一个数字。比如 `get_pin(g, 1)` 的结果是 97。
使用 `get_pin` `rt_pin_write(17, pin_high)` 可以写成 `rt_pin_write(get_pin(b, 1), pin_high)` ，这样是不是更直观了？
但是，有一种情况，不允许我们用 `get_pin` 。那就是在 menuconfig 或者 rt-studio 的 settings 里配置模拟 iic 两个引脚号的时候。它只支持输入数字，这个时候我们必须知道 `get_pin` 的数学含义，心算把 `get_pin(b, 1)` 转成 17 。
`get_pin` 的数学含义是确定的吗？是放之四海而皆准的吗？在每一款芯片上可以使用同一个数学公式演算吗？
**这个可以是，但实际却不是**。
另类的 ab32 ra6m4 n32 我们仍然以 17 这个编号为例，下面来看看 ab32 ra6m4 上面它分别代表哪个 gpio 。
ab32 上应该是 pe4。
ab32 版 `get_pin` 是这样的:
#define __ab32_port(port) gpio##port#define __ab32_get_pin_a(pin) pin#define __ab32_get_pin_b(pin) 8 + pin#define __ab32_get_pin_e(pin) 13 + pin#define __ab32_get_pin_f(pin) 21 + pin 几个端口不通用，各自为战
ra6m4 上不存在。因为 ra6m4 的 p100 对应的是 256 ；p015 对应的是 15 。没有 17 这个编号。
ab32 版 `get_pin` 未实现。
还有 n32，上面笔者说了句“它肯定不是芯片引脚编号”。但是，我又发现在 n32 的drv_gpio.c 中，定义成了芯片引脚号。打脸了...
n32 版 `get_pin` 也未实现。
还有其它芯片是上述三种情况之外的吗？欢迎大家讲出来。
明确的应用层语义 不失一般性，假设可能存在某芯片端口编号不是连续的，中间缺失端口b。同时端口 a 也只有 12 个 io。我们把所有的端口和 io 进行排序编号。pa0 是 0 号、pa1 是 1 号 ... pa11 是 11 号。那么，pc0 编号是多少？12吗？
假如有一同系列芯片，它是有端口 b 的。那么 pb0 编号该定义成多少合适呢？也是 12 吗？
> 或者，干脆我们就假定所有的芯片端口都是连续无缺失的，每个端口也是满满当当 16 个 io 。这样 pb0 总是 16，pc0 总是 32。
从理论上讲，所有的芯片 gpio 编号系统是可以用一个公式实现的，这个公式可以在 rt-thread 使用宝典（2022-0516更新）中找到。
ra6m4 上，应用程序层可以使用 17 表示 p101，因为它的端口编号从 0 开始；
n32 上，应用程序层可以使用 17 表示 pb01，因为它的端口编号从 a 开始；
stm32 上，应用程序层可以使用 17 表示 pb01，因为它的端口编号从 a 开始；
ab32 上，应用程序层可以使用 17 表示 pb01，因为它的端口编号从 a 开始
无论用的哪家芯片，无论是哪个系列芯片，无论是哪款型号，它有多少引脚。我们希望 17 这个值能对应一个明确的引脚名。不会因为某系列芯片中某子型号因为其中某个端口 io 数量少一个导致后面所有 io 的编号都变了。又或者同样的 pb01 在不同子型号不同封装下的编号也不一样。
结束语 大家有什么意见和想法，一块儿聊聊啊。
> 把不同芯片的差异性进行封装，提供给应用层语义明确的接口，是一个操作系统的职责之一。
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