Merge git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux-2.6
[wrt350n-kernel.git] / Documentation / gpio.txt
blob2b4059d9f218673c9f870c09f2fa55c1c8e55bcd
1 GPIO Interfaces
3 This provides an overview of GPIO access conventions on Linux.
5 <<<<<<< HEAD:Documentation/gpio.txt
6 =======
7 These calls use the gpio_* naming prefix.  No other calls should use that
8 prefix, or the related __gpio_* prefix.
10 >>>>>>> 264e3e889d86e552b4191d69bb60f4f3b383135a:Documentation/gpio.txt
12 What is a GPIO?
13 ===============
14 A "General Purpose Input/Output" (GPIO) is a flexible software-controlled
15 digital signal.  They are provided from many kinds of chip, and are familiar
16 to Linux developers working with embedded and custom hardware.  Each GPIO
17 represents a bit connected to a particular pin, or "ball" on Ball Grid Array
18 (BGA) packages.  Board schematics show which external hardware connects to
19 which GPIOs.  Drivers can be written generically, so that board setup code
20 passes such pin configuration data to drivers.
22 System-on-Chip (SOC) processors heavily rely on GPIOs.  In some cases, every
23 non-dedicated pin can be configured as a GPIO; and most chips have at least
24 several dozen of them.  Programmable logic devices (like FPGAs) can easily
25 provide GPIOs; multifunction chips like power managers, and audio codecs
26 often have a few such pins to help with pin scarcity on SOCs; and there are
27 also "GPIO Expander" chips that connect using the I2C or SPI serial busses.
28 Most PC southbridges have a few dozen GPIO-capable pins (with only the BIOS
29 firmware knowing how they're used).
31 The exact capabilities of GPIOs vary between systems.  Common options:
33   - Output values are writable (high=1, low=0).  Some chips also have
34     options about how that value is driven, so that for example only one
35     value might be driven ... supporting "wire-OR" and similar schemes
36     for the other value (notably, "open drain" signaling).
38   - Input values are likewise readable (1, 0).  Some chips support readback
39     of pins configured as "output", which is very useful in such "wire-OR"
40     cases (to support bidirectional signaling).  GPIO controllers may have
41     input de-glitch/debounce logic, sometimes with software controls.
43   - Inputs can often be used as IRQ signals, often edge triggered but
44     sometimes level triggered.  Such IRQs may be configurable as system
45     wakeup events, to wake the system from a low power state.
47   - Usually a GPIO will be configurable as either input or output, as needed
48     by different product boards; single direction ones exist too.
50   - Most GPIOs can be accessed while holding spinlocks, but those accessed
51     through a serial bus normally can't.  Some systems support both types.
53 On a given board each GPIO is used for one specific purpose like monitoring
54 MMC/SD card insertion/removal, detecting card writeprotect status, driving
55 a LED, configuring a transceiver, bitbanging a serial bus, poking a hardware
56 watchdog, sensing a switch, and so on.
59 GPIO conventions
60 ================
61 Note that this is called a "convention" because you don't need to do it this
62 way, and it's no crime if you don't.  There **are** cases where portability
63 is not the main issue; GPIOs are often used for the kind of board-specific
64 glue logic that may even change between board revisions, and can't ever be
65 used on a board that's wired differently.  Only least-common-denominator
66 functionality can be very portable.  Other features are platform-specific,
67 and that can be critical for glue logic.
69 Plus, this doesn't require any implementation framework, just an interface.
70 One platform might implement it as simple inline functions accessing chip
71 registers; another might implement it by delegating through abstractions
72 used for several very different kinds of GPIO controller.  (There is some
73 optional code supporting such an implementation strategy, described later
74 in this document, but drivers acting as clients to the GPIO interface must
75 not care how it's implemented.)
77 That said, if the convention is supported on their platform, drivers should
78 <<<<<<< HEAD:Documentation/gpio.txt
79 use it when possible.  Platforms should declare GENERIC_GPIO support in
80 Kconfig (boolean true), which multi-platform drivers can depend on when
81 using the include file:
82 =======
83 use it when possible.  Platforms must declare GENERIC_GPIO support in their
84 Kconfig (boolean true), and provide an <asm/gpio.h> file.  Drivers that can't
85 work without standard GPIO calls should have Kconfig entries which depend
86 on GENERIC_GPIO.  The GPIO calls are available, either as "real code" or as
87 optimized-away stubs, when drivers use the include file:
88 >>>>>>> 264e3e889d86e552b4191d69bb60f4f3b383135a:Documentation/gpio.txt
90 <<<<<<< HEAD:Documentation/gpio.txt
91         #include <asm/gpio.h>
92 =======
93         #include <linux/gpio.h>
94 >>>>>>> 264e3e889d86e552b4191d69bb60f4f3b383135a:Documentation/gpio.txt
96 If you stick to this convention then it'll be easier for other developers to
97 see what your code is doing, and help maintain it.
99 Note that these operations include I/O barriers on platforms which need to
100 use them; drivers don't need to add them explicitly.
103 Identifying GPIOs
104 -----------------
105 GPIOs are identified by unsigned integers in the range 0..MAX_INT.  That
106 reserves "negative" numbers for other purposes like marking signals as
107 "not available on this board", or indicating faults.  Code that doesn't
108 touch the underlying hardware treats these integers as opaque cookies.
110 Platforms define how they use those integers, and usually #define symbols
111 for the GPIO lines so that board-specific setup code directly corresponds
112 to the relevant schematics.  In contrast, drivers should only use GPIO
113 numbers passed to them from that setup code, using platform_data to hold
114 board-specific pin configuration data (along with other board specific
115 data they need).  That avoids portability problems.
117 So for example one platform uses numbers 32-159 for GPIOs; while another
118 uses numbers 0..63 with one set of GPIO controllers, 64-79 with another
119 type of GPIO controller, and on one particular board 80-95 with an FPGA.
120 The numbers need not be contiguous; either of those platforms could also
121 use numbers 2000-2063 to identify GPIOs in a bank of I2C GPIO expanders.
123 Whether a platform supports multiple GPIO controllers is currently a
124 platform-specific implementation issue.
127 Using GPIOs
128 -----------
129 One of the first things to do with a GPIO, often in board setup code when
130 setting up a platform_device using the GPIO, is mark its direction:
132         /* set as input or output, returning 0 or negative errno */
133         int gpio_direction_input(unsigned gpio);
134         int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);
136 The return value is zero for success, else a negative errno.  It should
137 be checked, since the get/set calls don't have error returns and since
138 misconfiguration is possible.  You should normally issue these calls from
139 a task context.  However, for spinlock-safe GPIOs it's OK to use them
140 before tasking is enabled, as part of early board setup.
142 For output GPIOs, the value provided becomes the initial output value.
143 This helps avoid signal glitching during system startup.
145 For compatibility with legacy interfaces to GPIOs, setting the direction
146 of a GPIO implicitly requests that GPIO (see below) if it has not been
147 requested already.  That compatibility may be removed in the future;
148 explicitly requesting GPIOs is strongly preferred.
150 Setting the direction can fail if the GPIO number is invalid, or when
151 that particular GPIO can't be used in that mode.  It's generally a bad
152 idea to rely on boot firmware to have set the direction correctly, since
153 it probably wasn't validated to do more than boot Linux.  (Similarly,
154 that board setup code probably needs to multiplex that pin as a GPIO,
155 and configure pullups/pulldowns appropriately.)
158 Spinlock-Safe GPIO access
159 -------------------------
160 Most GPIO controllers can be accessed with memory read/write instructions.
161 That doesn't need to sleep, and can safely be done from inside IRQ handlers.
162 (That includes hardirq contexts on RT kernels.)
164 Use these calls to access such GPIOs:
166         /* GPIO INPUT:  return zero or nonzero */
167         int gpio_get_value(unsigned gpio);
169         /* GPIO OUTPUT */
170         void gpio_set_value(unsigned gpio, int value);
172 The values are boolean, zero for low, nonzero for high.  When reading the
173 value of an output pin, the value returned should be what's seen on the
174 pin ... that won't always match the specified output value, because of
175 issues including open-drain signaling and output latencies.
177 The get/set calls have no error returns because "invalid GPIO" should have
178 been reported earlier from gpio_direction_*().  However, note that not all
179 platforms can read the value of output pins; those that can't should always
180 return zero.  Also, using these calls for GPIOs that can't safely be accessed
181 without sleeping (see below) is an error.
183 Platform-specific implementations are encouraged to optimize the two
184 calls to access the GPIO value in cases where the GPIO number (and for
185 output, value) are constant.  It's normal for them to need only a couple
186 of instructions in such cases (reading or writing a hardware register),
187 and not to need spinlocks.  Such optimized calls can make bitbanging
188 applications a lot more efficient (in both space and time) than spending
189 dozens of instructions on subroutine calls.
192 GPIO access that may sleep
193 --------------------------
194 Some GPIO controllers must be accessed using message based busses like I2C
195 or SPI.  Commands to read or write those GPIO values require waiting to
196 get to the head of a queue to transmit a command and get its response.
197 This requires sleeping, which can't be done from inside IRQ handlers.
199 Platforms that support this type of GPIO distinguish them from other GPIOs
200 by returning nonzero from this call (which requires a valid GPIO number,
201 either explicitly or implicitly requested):
203         int gpio_cansleep(unsigned gpio);
205 To access such GPIOs, a different set of accessors is defined:
207         /* GPIO INPUT:  return zero or nonzero, might sleep */
208         int gpio_get_value_cansleep(unsigned gpio);
210         /* GPIO OUTPUT, might sleep */
211         void gpio_set_value_cansleep(unsigned gpio, int value);
213 Other than the fact that these calls might sleep, and will not be ignored
214 for GPIOs that can't be accessed from IRQ handlers, these calls act the
215 same as the spinlock-safe calls.
218 Claiming and Releasing GPIOs (OPTIONAL)
219 ---------------------------------------
220 To help catch system configuration errors, two calls are defined.
221 However, many platforms don't currently support this mechanism.
223         /* request GPIO, returning 0 or negative errno.
224          * non-null labels may be useful for diagnostics.
225          */
226         int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);
228         /* release previously-claimed GPIO */
229         void gpio_free(unsigned gpio);
231 Passing invalid GPIO numbers to gpio_request() will fail, as will requesting
232 GPIOs that have already been claimed with that call.  The return value of
233 gpio_request() must be checked.  You should normally issue these calls from
234 a task context.  However, for spinlock-safe GPIOs it's OK to request GPIOs
235 before tasking is enabled, as part of early board setup.
237 These calls serve two basic purposes.  One is marking the signals which
238 are actually in use as GPIOs, for better diagnostics; systems may have
239 several hundred potential GPIOs, but often only a dozen are used on any
240 given board.  Another is to catch conflicts, identifying errors when
241 (a) two or more drivers wrongly think they have exclusive use of that
242 signal, or (b) something wrongly believes it's safe to remove drivers
243 needed to manage a signal that's in active use.  That is, requesting a
244 GPIO can serve as a kind of lock.
246 These two calls are optional because not not all current Linux platforms
247 offer such functionality in their GPIO support; a valid implementation
248 could return success for all gpio_request() calls.  Unlike the other calls,
249 the state they represent doesn't normally match anything from a hardware
250 register; it's just a software bitmap which clearly is not necessary for
251 correct operation of hardware or (bug free) drivers.
253 Note that requesting a GPIO does NOT cause it to be configured in any
254 way; it just marks that GPIO as in use.  Separate code must handle any
255 pin setup (e.g. controlling which pin the GPIO uses, pullup/pulldown).
257 Also note that it's your responsibility to have stopped using a GPIO
258 before you free it.
261 GPIOs mapped to IRQs
262 --------------------
263 GPIO numbers are unsigned integers; so are IRQ numbers.  These make up
264 two logically distinct namespaces (GPIO 0 need not use IRQ 0).  You can
265 map between them using calls like:
267         /* map GPIO numbers to IRQ numbers */
268         int gpio_to_irq(unsigned gpio);
270         /* map IRQ numbers to GPIO numbers */
271         int irq_to_gpio(unsigned irq);
273 Those return either the corresponding number in the other namespace, or
274 else a negative errno code if the mapping can't be done.  (For example,
275 some GPIOs can't be used as IRQs.)  It is an unchecked error to use a GPIO
276 number that wasn't set up as an input using gpio_direction_input(), or
277 to use an IRQ number that didn't originally come from gpio_to_irq().
279 These two mapping calls are expected to cost on the order of a single
280 addition or subtraction.  They're not allowed to sleep.
282 Non-error values returned from gpio_to_irq() can be passed to request_irq()
283 or free_irq().  They will often be stored into IRQ resources for platform
284 devices, by the board-specific initialization code.  Note that IRQ trigger
285 options are part of the IRQ interface, e.g. IRQF_TRIGGER_FALLING, as are
286 system wakeup capabilities.
288 Non-error values returned from irq_to_gpio() would most commonly be used
289 with gpio_get_value(), for example to initialize or update driver state
290 when the IRQ is edge-triggered.
293 Emulating Open Drain Signals
294 ----------------------------
295 Sometimes shared signals need to use "open drain" signaling, where only the
296 low signal level is actually driven.  (That term applies to CMOS transistors;
297 "open collector" is used for TTL.)  A pullup resistor causes the high signal
298 level.  This is sometimes called a "wire-AND"; or more practically, from the
299 negative logic (low=true) perspective this is a "wire-OR".
301 One common example of an open drain signal is a shared active-low IRQ line.
302 Also, bidirectional data bus signals sometimes use open drain signals.
304 Some GPIO controllers directly support open drain outputs; many don't.  When
305 you need open drain signaling but your hardware doesn't directly support it,
306 there's a common idiom you can use to emulate it with any GPIO pin that can
307 be used as either an input or an output:
309  LOW:   gpio_direction_output(gpio, 0) ... this drives the signal
310         and overrides the pullup.
312  HIGH:  gpio_direction_input(gpio) ... this turns off the output,
313         so the pullup (or some other device) controls the signal.
315 If you are "driving" the signal high but gpio_get_value(gpio) reports a low
316 value (after the appropriate rise time passes), you know some other component
317 is driving the shared signal low.  That's not necessarily an error.  As one
318 common example, that's how I2C clocks are stretched:  a slave that needs a
319 slower clock delays the rising edge of SCK, and the I2C master adjusts its
320 signaling rate accordingly.
323 What do these conventions omit?
324 ===============================
325 One of the biggest things these conventions omit is pin multiplexing, since
326 this is highly chip-specific and nonportable.  One platform might not need
327 explicit multiplexing; another might have just two options for use of any
328 given pin; another might have eight options per pin; another might be able
329 to route a given GPIO to any one of several pins.  (Yes, those examples all
330 come from systems that run Linux today.)
332 Related to multiplexing is configuration and enabling of the pullups or
333 pulldowns integrated on some platforms.  Not all platforms support them,
334 or support them in the same way; and any given board might use external
335 pullups (or pulldowns) so that the on-chip ones should not be used.
336 (When a circuit needs 5 kOhm, on-chip 100 kOhm resistors won't do.)
337 <<<<<<< HEAD:Documentation/gpio.txt
338 =======
339 Likewise drive strength (2 mA vs 20 mA) and voltage (1.8V vs 3.3V) is a
340 platform-specific issue, as are models like (not) having a one-to-one
341 correspondence between configurable pins and GPIOs.
342 >>>>>>> 264e3e889d86e552b4191d69bb60f4f3b383135a:Documentation/gpio.txt
344 There are other system-specific mechanisms that are not specified here,
345 like the aforementioned options for input de-glitching and wire-OR output.
346 Hardware may support reading or writing GPIOs in gangs, but that's usually
347 configuration dependent:  for GPIOs sharing the same bank.  (GPIOs are
348 commonly grouped in banks of 16 or 32, with a given SOC having several such
349 banks.)  Some systems can trigger IRQs from output GPIOs, or read values
350 from pins not managed as GPIOs.  Code relying on such mechanisms will
351 necessarily be nonportable.
353 Dynamic definition of GPIOs is not currently standard; for example, as
354 a side effect of configuring an add-on board with some GPIO expanders.
356 These calls are purely for kernel space, but a userspace API could be built
357 on top of them.
360 GPIO implementor's framework (OPTIONAL)
361 =======================================
362 As noted earlier, there is an optional implementation framework making it
363 easier for platforms to support different kinds of GPIO controller using
364 the same programming interface.
366 As a debugging aid, if debugfs is available a /sys/kernel/debug/gpio file
367 will be found there.  That will list all the controllers registered through
368 this framework, and the state of the GPIOs currently in use.
371 Controller Drivers: gpio_chip
372 -----------------------------
373 In this framework each GPIO controller is packaged as a "struct gpio_chip"
374 with information common to each controller of that type:
376  - methods to establish GPIO direction
377  - methods used to access GPIO values
378  - flag saying whether calls to its methods may sleep
379  - optional debugfs dump method (showing extra state like pullup config)
380  - label for diagnostics
382 There is also per-instance data, which may come from device.platform_data:
383 the number of its first GPIO, and how many GPIOs it exposes.
385 The code implementing a gpio_chip should support multiple instances of the
386 controller, possibly using the driver model.  That code will configure each
387 gpio_chip and issue gpiochip_add().  Removing a GPIO controller should be
388 rare; use gpiochip_remove() when it is unavoidable.
390 Most often a gpio_chip is part of an instance-specific structure with state
391 not exposed by the GPIO interfaces, such as addressing, power management,
392 and more.  Chips such as codecs will have complex non-GPIO state,
394 Any debugfs dump method should normally ignore signals which haven't been
395 requested as GPIOs.  They can use gpiochip_is_requested(), which returns
396 either NULL or the label associated with that GPIO when it was requested.
399 Platform Support
400 ----------------
401 To support this framework, a platform's Kconfig will "select HAVE_GPIO_LIB"
402 and arrange that its <asm/gpio.h> includes <asm-generic/gpio.h> and defines
403 three functions: gpio_get_value(), gpio_set_value(), and gpio_cansleep().
404 They may also want to provide a custom value for ARCH_NR_GPIOS.
406 Trivial implementations of those functions can directly use framework
407 code, which always dispatches through the gpio_chip:
409   #define gpio_get_value        __gpio_get_value
410   #define gpio_set_value        __gpio_set_value
411   #define gpio_cansleep         __gpio_cansleep
413 Fancier implementations could instead define those as inline functions with
414 logic optimizing access to specific SOC-based GPIOs.  For example, if the
415 referenced GPIO is the constant "12", getting or setting its value could
416 cost as little as two or three instructions, never sleeping.  When such an
417 optimization is not possible those calls must delegate to the framework
418 code, costing at least a few dozen instructions.  For bitbanged I/O, such
419 instruction savings can be significant.
421 For SOCs, platform-specific code defines and registers gpio_chip instances
422 for each bank of on-chip GPIOs.  Those GPIOs should be numbered/labeled to
423 match chip vendor documentation, and directly match board schematics.  They
424 may well start at zero and go up to a platform-specific limit.  Such GPIOs
425 are normally integrated into platform initialization to make them always be
426 available, from arch_initcall() or earlier; they can often serve as IRQs.
429 Board Support
430 -------------
431 For external GPIO controllers -- such as I2C or SPI expanders, ASICs, multi
432 function devices, FPGAs or CPLDs -- most often board-specific code handles
433 registering controller devices and ensures that their drivers know what GPIO
434 numbers to use with gpiochip_add().  Their numbers often start right after
435 platform-specific GPIOs.
437 For example, board setup code could create structures identifying the range
438 of GPIOs that chip will expose, and passes them to each GPIO expander chip
439 using platform_data.  Then the chip driver's probe() routine could pass that
440 data to gpiochip_add().
442 Initialization order can be important.  For example, when a device relies on
443 an I2C-based GPIO, its probe() routine should only be called after that GPIO
444 becomes available.  That may mean the device should not be registered until
445 calls for that GPIO can work.  One way to address such dependencies is for
446 such gpio_chip controllers to provide setup() and teardown() callbacks to
447 board specific code; those board specific callbacks would register devices
448 once all the necessary resources are available.