如何将 GPIO PWM 和 GPIO Capture 驱动程序导入 Linux 内核，实现 PWM 输出并检测引脚的变化状态？

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在Linux内核中实现GPIO的PWM输出和输入捕获（GPIO Capture）需要结合驱动程序和用户空间配置。以下是完整的实现步骤：

1. GPIO PWM 输出实现

方法1：使用内核的PWM子系统（推荐）

步骤1：配置设备树

// 假设使用GPIO26作为PWM输出

pwm: pwm {

    compatible = "pwm-gpio";

    #pwm-cells = <3>;

    pwm-gpios = <&gpio 26 GPIO_ACTIVE_HIGH>;

};

步骤2：启用内核驱动

在内核配置中启用：

CONFIG_PWM=y

CONFIG_PWM_GPIO=y

步骤3：用户空间控制

加载驱动后，通过sysfs接口操作：

# 导出PWM0

echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip0/export



# 设置周期（ns）

echo 20000000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/period   # 20ms



# 设置占空比（ns）

echo 1500000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/duty_cycle # 1.5ms



# 启用PWM

echo 1 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/enable

方法2：手动实现PWM驱动（无硬件支持时）

示例内核模块代码

#include 

#include 

#include 



static struct hrtimer pwm_timer;

static int gpio_pin = 26; // GPIO编号

static bool pwm_state = false;



static enum hrtimer_restart pwm_timer_callback(struct hrtimer *timer) {

    pwm_state = !pwm_state;

    gpio_set_value(gpio_pin, pwm_state);



    hrtimer_forward_now(timer, ktime_set(0, pwm_state ? 1500000 : 18500000)); // 1.5ms高, 18.5ms低

    return HRTIMER_RESTART;

}



static int __init pwm_init(void) {

    gpio_request(gpio_pin, "pwm_gpio");

    gpio_direction_output(gpio_pin, 0);



    hrtimer_init(&pwm_timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_REL);

    pwm_timer.function = pwm_timer_callback;

    hrtimer_start(&pwm_timer, ktime_set(0, 0), HRTIMER_MODE_REL);

    return 0;

}



static void __exit pwm_exit(void) {

    hrtimer_cancel(&pwm_timer);

    gpio_set_value(gpio_pin, 0);

    gpio_free(gpio_pin);

}



module_init(pwm_init);

module_exit(pwm_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

2. GPIO输入捕获实现

原理：利用中断和计时器测量脉冲宽度

驱动代码示例

#include 

#include 

#include 

#include 



static int gpio_capture = 24; // 输入GPIO编号

static int irq_number;

static ktime_t prev_time;



// 中断处理函数

static irqreturn_t capture_handler(int irq, void *dev_id) {

    ktime_t now = ktime_get();

    if (gpio_get_value(gpio_capture)) {

        prev_time = now; // 记录上升沿时间

    } else {

        s64 pulse_width = ktime_to_ns(ktime_sub(now, prev_time));

        printk("脉冲宽度: %lld nsn", pulse_width); // 打印下降沿时的脉冲宽度

    }

    return IRQ_HANDLED;

}



static int __init capture_init(void) {

    if (gpio_request(gpio_capture, "gpio_capture")) {

        return -EBUSY;

    }



    gpio_direction_input(gpio_capture);

    irq_number = gpio_to_irq(gpio_capture);



    // 绑定双边沿中断

    if (request_irq(irq_number, capture_handler, 

                   IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, 

                   "gpio_capture", NULL)) {

        gpio_free(gpio_capture);

        return -EBUSY;

    }

    return 0;

}



static void __exit capture_exit(void) {

    free_irq(irq_number, NULL);

    gpio_free(gpio_capture);

}



module_init(capture_init);

module_exit(capture_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

3. 完整使用流程

1. 
   

   编译驱动：

   
   

   make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$PWD modules

   
   


2. 
   

   加载模块：

   
   

   sudo insmod pwm_driver.ko   # PWM输出
   
   sudo insmod capture_driver.ko # 输入捕获

   
   


3. 
   

   查看捕获结果：

   
   

   dmesg -w  # 监控内核日志中的脉冲宽度信息

   
   

4. 高级优化方案

1. 
   

   使用硬件PWM控制器
   
   若SoC支持硬件PWM（如树莓派）：

   
   

   &pwm {
   
     assigned-clock-rates = <10000000>; // 10MHz
   
     status = "okay";
   
   };

   
   

   通过/sys/class/pwm/直接控制硬件PWM。

   
   


2. 
   

   配置设备树引脚复用
   
   确保GPIO复用为PWM功能：

   
   

   &gpio {
   
     pinctrl-names = "default";
   
     pinctrl-0 = <&pwm_pins>;
   
   };

   
   


3. 
   

   用户空间精准计时
   
   使用libgpiod捕获边沿事件并配合clock_gettime计时：

   
   

   #include 
   
   #include 
   
   struct timespec ts;
   
   clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts); // 高精度计时

   
   

关键注意事项

1. 
   

   权限问题
   
   通过udev规则或sudo授权用户访问/sys/class/gpio或/dev/gpiochip*。

   
   


2. 
   

   实时性要求
   
   高精度场景需配置内核为PREEMPT_RT（实时补丁）。

   
   


3. 
   

   干扰处理
   
   输入捕获添加去抖动逻辑：

   
   

   request_irq(..., IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING | IRQF_SHARED, ...);

   
   


4. 
   

   性能优化
   
   使用DMA或硬件计数器（如eCAP）实现纳秒级精度捕获。

   
   

通过上述步骤，您可以在Linux内核中实现GPIO的PWM输出和输入捕获功能。对于特定硬件平台，需参考SoC手册调整设备树和寄存器配置。