Merge remote-tracking branches 'regmap/topic/bulk', 'regmap/topic/i2c', 'regmap/topic...
[cascardo/linux.git] / Documentation / gpio / driver.txt
1 GPIO Descriptor Driver Interface
2 ================================
3
4 This document serves as a guide for GPIO chip drivers writers. Note that it
5 describes the new descriptor-based interface. For a description of the
6 deprecated integer-based GPIO interface please refer to gpio-legacy.txt.
7
8 Each GPIO controller driver needs to include the following header, which defines
9 the structures used to define a GPIO driver:
10
11         #include <linux/gpio/driver.h>
12
13
14 Internal Representation of GPIOs
15 ================================
16
17 Inside a GPIO driver, individual GPIOs are identified by their hardware number,
18 which is a unique number between 0 and n, n being the number of GPIOs managed by
19 the chip. This number is purely internal: the hardware number of a particular
20 GPIO descriptor is never made visible outside of the driver.
21
22 On top of this internal number, each GPIO also need to have a global number in
23 the integer GPIO namespace so that it can be used with the legacy GPIO
24 interface. Each chip must thus have a "base" number (which can be automatically
25 assigned), and for each GPIO the global number will be (base + hardware number).
26 Although the integer representation is considered deprecated, it still has many
27 users and thus needs to be maintained.
28
29 So for example one platform could use numbers 32-159 for GPIOs, with a
30 controller defining 128 GPIOs at a "base" of 32 ; while another platform uses
31 numbers 0..63 with one set of GPIO controllers, 64-79 with another type of GPIO
32 controller, and on one particular board 80-95 with an FPGA. The numbers need not
33 be contiguous; either of those platforms could also use numbers 2000-2063 to
34 identify GPIOs in a bank of I2C GPIO expanders.
35
36
37 Controller Drivers: gpio_chip
38 =============================
39
40 In the gpiolib framework each GPIO controller is packaged as a "struct
41 gpio_chip" (see linux/gpio/driver.h for its complete definition) with members
42 common to each controller of that type:
43
44  - methods to establish GPIO direction
45  - methods used to access GPIO values
46  - method to return the IRQ number associated to a given GPIO
47  - flag saying whether calls to its methods may sleep
48  - optional debugfs dump method (showing extra state like pullup config)
49  - optional base number (will be automatically assigned if omitted)
50  - label for diagnostics and GPIOs mapping using platform data
51
52 The code implementing a gpio_chip should support multiple instances of the
53 controller, possibly using the driver model. That code will configure each
54 gpio_chip and issue gpiochip_add(). Removing a GPIO controller should be rare;
55 use gpiochip_remove() when it is unavoidable.
56
57 Most often a gpio_chip is part of an instance-specific structure with state not
58 exposed by the GPIO interfaces, such as addressing, power management, and more.
59 Chips such as codecs will have complex non-GPIO state.
60
61 Any debugfs dump method should normally ignore signals which haven't been
62 requested as GPIOs. They can use gpiochip_is_requested(), which returns either
63 NULL or the label associated with that GPIO when it was requested.
64
65 RT_FULL: GPIO driver should not use spinlock_t or any sleepable APIs
66 (like PM runtime) in its gpio_chip implementation (.get/.set and direction
67 control callbacks) if it is expected to call GPIO APIs from atomic context
68 on -RT (inside hard IRQ handlers and similar contexts). Normally this should
69 not be required.
70
71
72 GPIOs with open drain/source support
73 ------------------------------------
74
75 Open drain (CMOS) or open collector (TTL) means the line is not actively driven
76 high: instead you provide the drain/collector as output, so when the transistor
77 is not open, it will present a high-impedance (tristate) to the external rail.
78
79
80    CMOS CONFIGURATION      TTL CONFIGURATION
81
82             ||--- out              +--- out
83      in ----||                   |/
84             ||--+         in ----|
85                 |                |\
86                GND                 GND
87
88 This configuration is normally used as a way to achieve one of two things:
89
90 - Level-shifting: to reach a logical level higher than that of the silicon
91   where the output resides.
92
93 - inverse wire-OR on an I/O line, for example a GPIO line, making it possible
94   for any driving stage on the line to drive it low even if any other output
95   to the same line is simultaneously driving it high. A special case of this
96   is driving the SCL and SCA lines of an I2C bus, which is by definition a
97   wire-OR bus.
98
99 Both usecases require that the line be equipped with a pull-up resistor. This
100 resistor will make the line tend to high level unless one of the transistors on
101 the rail actively pulls it down.
102
103 The level on the line will go as high as the VDD on the pull-up resistor, which
104 may be higher than the level supported by the transistor, achieveing a
105 level-shift to the higher VDD.
106
107 Integrated electronics often have an output driver stage in the form of a CMOS
108 "totem-pole" with one N-MOS and one P-MOS transistor where one of them drives
109 the line high and one of them drives the line low. This is called a push-pull
110 output. The "totem-pole" looks like so:
111
112                  VDD
113                   |
114         OD    ||--+
115      +--/ ---o||     P-MOS-FET
116      |        ||--+
117 IN --+            +----- out
118      |        ||--+
119      +--/ ----||     N-MOS-FET
120         OS    ||--+
121                   |
122                  GND
123
124 The desired output signal (e.g. coming directly from some GPIO output register)
125 arrives at IN. The switches named "OD" and "OS" are normally closed, creating
126 a push-pull circuit.
127
128 Consider the little "switches" named "OD" and "OS" that enable/disable the
129 P-MOS or N-MOS transistor right after the split of the input. As you can see,
130 either transistor will go totally numb if this switch is open. The totem-pole
131 is then halved and give high impedance instead of actively driving the line
132 high or low respectively. That is usually how software-controlled open
133 drain/source works.
134
135 Some GPIO hardware come in open drain / open source configuration. Some are
136 hard-wired lines that will only support open drain or open source no matter
137 what: there is only one transistor there. Some are software-configurable:
138 by flipping a bit in a register the output can be configured as open drain
139 or open source, in practice by flicking open the switches labeled "OD" and "OS"
140 in the drawing above.
141
142 By disabling the P-MOS transistor, the output can be driven between GND and
143 high impedance (open drain), and by disabling the N-MOS transistor, the output
144 can be driven between VDD and high impedance (open source). In the first case,
145 a pull-up resistor is needed on the outgoing rail to complete the circuit, and
146 in the second case, a pull-down resistor is needed on the rail.
147
148 Hardware that supports open drain or open source or both, can implement a
149 special callback in the gpio_chip: .set_single_ended() that takes an enum flag
150 telling whether to configure the line as open drain, open source or push-pull.
151 This will happen in response to the GPIO_OPEN_DRAIN or GPIO_OPEN_SOURCE flag
152 set in the machine file, or coming from other hardware descriptions.
153
154 If this state can not be configured in hardware, i.e. if the GPIO hardware does
155 not support open drain/open source in hardware, the GPIO library will instead
156 use a trick: when a line is set as output, if the line is flagged as open
157 drain, and the IN output value is low, it will be driven low as usual. But
158 if the IN output value is set to high, it will instead *NOT* be driven high,
159 instead it will be switched to input, as input mode is high impedance, thus
160 achieveing an "open drain emulation" of sorts: electrically the behaviour will
161 be identical, with the exception of possible hardware glitches when switching
162 the mode of the line.
163
164 For open source configuration the same principle is used, just that instead
165 of actively driving the line low, it is set to input.
166
167
168 GPIO drivers providing IRQs
169 ---------------------------
170 It is custom that GPIO drivers (GPIO chips) are also providing interrupts,
171 most often cascaded off a parent interrupt controller, and in some special
172 cases the GPIO logic is melded with a SoC's primary interrupt controller.
173
174 The IRQ portions of the GPIO block are implemented using an irqchip, using
175 the header <linux/irq.h>. So basically such a driver is utilizing two sub-
176 systems simultaneously: gpio and irq.
177
178 RT_FULL: GPIO driver should not use spinlock_t or any sleepable APIs
179 (like PM runtime) as part of its irq_chip implementation on -RT.
180 - spinlock_t should be replaced with raw_spinlock_t [1].
181 - If sleepable APIs have to be used, these can be done from the .irq_bus_lock()
182   and .irq_bus_unlock() callbacks, as these are the only slowpath callbacks
183   on an irqchip. Create the callbacks if needed [2].
184
185 GPIO irqchips usually fall in one of two categories:
186
187 * CHAINED GPIO irqchips: these are usually the type that is embedded on
188   an SoC. This means that there is a fast IRQ handler for the GPIOs that
189   gets called in a chain from the parent IRQ handler, most typically the
190   system interrupt controller. This means the GPIO irqchip is registered
191   using irq_set_chained_handler() or the corresponding
192   gpiochip_set_chained_irqchip() helper function, and the GPIO irqchip
193   handler will be called immediately from the parent irqchip, while
194   holding the IRQs disabled. The GPIO irqchip will then end up calling
195   something like this sequence in its interrupt handler:
196
197   static irqreturn_t tc3589x_gpio_irq(int irq, void *data)
198       chained_irq_enter(...);
199       generic_handle_irq(...);
200       chained_irq_exit(...);
201
202   Chained GPIO irqchips typically can NOT set the .can_sleep flag on
203   struct gpio_chip, as everything happens directly in the callbacks.
204
205   RT_FULL: Note, chained IRQ handlers will not be forced threaded on -RT.
206   As result, spinlock_t or any sleepable APIs (like PM runtime) can't be used
207   in chained IRQ handler.
208   if required (and if it can't be converted to the nested threaded GPIO irqchip)
209   - chained IRQ handler can be converted to generic irq handler and this way
210   it will be threaded IRQ handler on -RT and hard IRQ handler on non-RT
211   (for example, see [3]).
212   Know W/A: The generic_handle_irq() is expected to be called with IRQ disabled,
213   so IRQ core will complain if it will be called from IRQ handler which is
214   forced thread. The "fake?" raw lock can be used to W/A this problem:
215
216         raw_spinlock_t wa_lock;
217         static irqreturn_t omap_gpio_irq_handler(int irq, void *gpiobank)
218                 unsigned long wa_lock_flags;
219                 raw_spin_lock_irqsave(&bank->wa_lock, wa_lock_flags);
220                 generic_handle_irq(irq_find_mapping(bank->chip.irqdomain, bit));
221                 raw_spin_unlock_irqrestore(&bank->wa_lock, wa_lock_flags);
222
223 * GENERIC CHAINED GPIO irqchips: these are the same as "CHAINED GPIO irqchips",
224   but chained IRQ handlers are not used. Instead GPIO IRQs dispatching is
225   performed by generic IRQ handler which is configured using request_irq().
226   The GPIO irqchip will then end up calling something like this sequence in
227   its interrupt handler:
228
229   static irqreturn_t gpio_rcar_irq_handler(int irq, void *dev_id)
230         for each detected GPIO IRQ
231                 generic_handle_irq(...);
232
233   RT_FULL: Such kind of handlers will be forced threaded on -RT, as result IRQ
234   core will complain that generic_handle_irq() is called with IRQ enabled and
235   the same W/A as for "CHAINED GPIO irqchips" can be applied.
236
237 * NESTED THREADED GPIO irqchips: these are off-chip GPIO expanders and any
238   other GPIO irqchip residing on the other side of a sleeping bus. Of course
239   such drivers that need slow bus traffic to read out IRQ status and similar,
240   traffic which may in turn incur other IRQs to happen, cannot be handled
241   in a quick IRQ handler with IRQs disabled. Instead they need to spawn a
242   thread and then mask the parent IRQ line until the interrupt is handled
243   by the driver. The hallmark of this driver is to call something like
244   this in its interrupt handler:
245
246   static irqreturn_t tc3589x_gpio_irq(int irq, void *data)
247       ...
248       handle_nested_irq(irq);
249
250   The hallmark of threaded GPIO irqchips is that they set the .can_sleep
251   flag on struct gpio_chip to true, indicating that this chip may sleep
252   when accessing the GPIOs.
253
254 To help out in handling the set-up and management of GPIO irqchips and the
255 associated irqdomain and resource allocation callbacks, the gpiolib has
256 some helpers that can be enabled by selecting the GPIOLIB_IRQCHIP Kconfig
257 symbol:
258
259 * gpiochip_irqchip_add(): adds an irqchip to a gpiochip. It will pass
260   the struct gpio_chip* for the chip to all IRQ callbacks, so the callbacks
261   need to embed the gpio_chip in its state container and obtain a pointer
262   to the container using container_of().
263   (See Documentation/driver-model/design-patterns.txt)
264
265 * gpiochip_set_chained_irqchip(): sets up a chained irq handler for a
266   gpio_chip from a parent IRQ and passes the struct gpio_chip* as handler
267   data. (Notice handler data, since the irqchip data is likely used by the
268   parent irqchip!) This is for the chained type of chip. This is also used
269   to set up a nested irqchip if NULL is passed as handler.
270
271 To use the helpers please keep the following in mind:
272
273 - Make sure to assign all relevant members of the struct gpio_chip so that
274   the irqchip can initialize. E.g. .dev and .can_sleep shall be set up
275   properly.
276
277 - Nominally set all handlers to handle_bad_irq() in the setup call and pass
278   handle_bad_irq() as flow handler parameter in gpiochip_irqchip_add() if it is
279   expected for GPIO driver that irqchip .set_type() callback have to be called
280   before using/enabling GPIO IRQ. Then set the handler to handle_level_irq()
281   and/or handle_edge_irq() in the irqchip .set_type() callback depending on
282   what your controller supports.
283
284 It is legal for any IRQ consumer to request an IRQ from any irqchip no matter
285 if that is a combined GPIO+IRQ driver. The basic premise is that gpio_chip and
286 irq_chip are orthogonal, and offering their services independent of each
287 other.
288
289 gpiod_to_irq() is just a convenience function to figure out the IRQ for a
290 certain GPIO line and should not be relied upon to have been called before
291 the IRQ is used.
292
293 So always prepare the hardware and make it ready for action in respective
294 callbacks from the GPIO and irqchip APIs. Do not rely on gpiod_to_irq() having
295 been called first.
296
297 This orthogonality leads to ambiguities that we need to solve: if there is
298 competition inside the subsystem which side is using the resource (a certain
299 GPIO line and register for example) it needs to deny certain operations and
300 keep track of usage inside of the gpiolib subsystem. This is why the API
301 below exists.
302
303
304 Locking IRQ usage
305 -----------------
306 Input GPIOs can be used as IRQ signals. When this happens, a driver is requested
307 to mark the GPIO as being used as an IRQ:
308
309         int gpiochip_lock_as_irq(struct gpio_chip *chip, unsigned int offset)
310
311 This will prevent the use of non-irq related GPIO APIs until the GPIO IRQ lock
312 is released:
313
314         void gpiochip_unlock_as_irq(struct gpio_chip *chip, unsigned int offset)
315
316 When implementing an irqchip inside a GPIO driver, these two functions should
317 typically be called in the .startup() and .shutdown() callbacks from the
318 irqchip.
319
320 Real-Time compliance for GPIO IRQ chips
321 ---------------------------------------
322
323 Any provider of irqchips needs to be carefully tailored to support Real Time
324 preemption. It is desirable that all irqchips in the GPIO subsystem keep this
325 in mind and does the proper testing to assure they are real time-enabled.
326 So, pay attention on above " RT_FULL:" notes, please.
327 The following is a checklist to follow when preparing a driver for real
328 time-compliance:
329
330 - ensure spinlock_t is not used as part irq_chip implementation;
331 - ensure that sleepable APIs are not used as part irq_chip implementation.
332   If sleepable APIs have to be used, these can be done from the .irq_bus_lock()
333   and .irq_bus_unlock() callbacks;
334 - Chained GPIO irqchips: ensure spinlock_t or any sleepable APIs are not used
335   from chained IRQ handler;
336 - Generic chained GPIO irqchips: take care about generic_handle_irq() calls and
337   apply corresponding W/A;
338 - Chained GPIO irqchips: get rid of chained IRQ handler and use generic irq
339   handler if possible :)
340 - regmap_mmio: Sry, but you are in trouble :( if MMIO regmap is used as for
341   GPIO IRQ chip implementation;
342 - Test your driver with the appropriate in-kernel real time test cases for both
343   level and edge IRQs.
344
345
346 Requesting self-owned GPIO pins
347 -------------------------------
348
349 Sometimes it is useful to allow a GPIO chip driver to request its own GPIO
350 descriptors through the gpiolib API. Using gpio_request() for this purpose
351 does not help since it pins the module to the kernel forever (it calls
352 try_module_get()). A GPIO driver can use the following functions instead
353 to request and free descriptors without being pinned to the kernel forever.
354
355         struct gpio_desc *gpiochip_request_own_desc(struct gpio_desc *desc,
356                                                     const char *label)
357
358         void gpiochip_free_own_desc(struct gpio_desc *desc)
359
360 Descriptors requested with gpiochip_request_own_desc() must be released with
361 gpiochip_free_own_desc().
362
363 These functions must be used with care since they do not affect module use
364 count. Do not use the functions to request gpio descriptors not owned by the
365 calling driver.
366
367 [1] http://www.spinics.net/lists/linux-omap/msg120425.html
368 [2] https://lkml.org/lkml/2015/9/25/494
369 [3] https://lkml.org/lkml/2015/9/25/495