Pinctrl和GPIO子系统

Pinctrl 子系统：负责管理引脚的复用与配置。它允许将引脚配置为不同的功能（如 GPIO、I2C、UART 等）并设置引脚的电气特性（如上拉、下拉等）。
GPIO 子系统： 主要负责对通用输入输出引脚的管理。它提供 API 来配置引脚为输入或输出，并控制引脚的电平状态。
层次结构： Pinctrl 子系统位于 GPIO 子系统之上。Pinctrl 负责引脚的初步配置和复用，而 GPIO 子系统则利用这些配置来实现输入输出操作，两者有密切的关系，先配置Pinctrl，在配置GPIO。

  • 引脚配置：首先，通过 Pinctrl 子系统配置引脚的功能。例如，将某个引脚设置为 GPIO 功能。
  • 状态管理：然后，GPIO 子系统使用这些配置来管理引脚的电平状态（读取或设置引脚电平）。

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驱动进化之路

1. 面向对象分离硬件资源驱动思想

背景：
在早期的嵌入设备和计算机系统中，硬件驱动程序通常是直接和硬件紧密耦合的。这种方式导致了驱动程序难以维护和扩展，因为每种新的硬件都可能需要全新的驱动代码。

思想：

  • 模块化：将硬件相关的代码从系统的其他部分中分离出来，形成独立的模块（驱动模块）。
  • 抽象层：引入硬件抽象层（HAL），使得上层软件可以不直接操作硬件，而是通过一层抽象的接口来进行。
  • 封装：使用面向对象的编程思想，将硬件的操作封装成类或对象，这样可以更容易管理和重用代码。

技术细节：

  • 使用类的继承和多态来实现不同硬件的抽象和具体实现。
  • 提供统一的接口来访问硬件资源，降低了对具体硬件的依赖。

例子：假设有一个LED连接到一个GPIO引脚上。

  • 模块化：创建一个独立的LED驱动模块，而不是将LED操作代码直接嵌入到应用层代码中。
  • 抽象层：定义一个抽象的LED类，包含打开、关闭等方法。
// LED抽象类
class LED {
public:
    virtual void turnOn() = 0;
    virtual void turnOff() = 0;
};

// GPIO LED 实现
class GPIO_LED : public LED {
private:
    int pin;

public:
    GPIO_LED(int gpioPin) : pin(gpioPin) {}

    void turnOn() override {
        // GPIO设置为高电平
    }

    void turnOff() override {
        // GPIO设置为低电平
    }
};

2. Platform Device 平台总线模型

随着硬件设备的复杂性增加，需要一种更系统化的方式来管理设备驱动和硬件资源。平台设备总线（Platform Bus）将所有硬件设备抽象为平台设备（Platform Devices）和平台驱动（Platform Drivers）。这种抽象使得驱动开发者不必关心具体的硬件细节，而是通过一套标准的接口来管理设备。

通过这种模型，驱动开发者可以集中精力在设备的具体操作上，而不需要处理复杂的总线协议或硬件初始化流程。平台总线为驱动提供了标准的生命周期管理和资源访问方式。

思想：

  • 平台设备：将硬件设备抽象为平台设备（Platform Device），这些设备通过平台总线（Platform Bus）连接到系统中。
  • 平台驱动：相应地，驱动程序也被抽象为平台驱动（Platform Driver），它们通过平台总线匹配到相应的设备。

技术细节：

  • 在Linux内核中，struct platform_device 和 struct platform_driver 是关键数据结构。
  • 设备和驱动通过设备树或者是硬编码的方式注册到平台总线上。
  • 使用总线驱动框架（如I2C、SPI等）来进一步抽象硬件接口。
// 定义平台设备的结构
struct platform_device {
    // 设备的名称<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>，</h-inner></h-char></span>用于匹配驱动
    const char *name;
    int id;
    bool id_auto;
    struct device dev;
    u32 num_resources;
    // 指向资源数组的指针<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>，</h-inner></h-char></span>资源包括内存区域<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>、</h-inner></h-char></span>IRQ等
    struct resource *resource;
    /* 其他字段省略 */
};

// 定义平台驱动的结构
struct platform_driver {
    // 探测函数<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>，</h-inner></h-char></span>当设备被发现时调用<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>，</h-inner></h-char></span>负责初始化设备
    int (*probe)(struct platform_device *);
    // 移除设备时调用<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>，</h-inner></h-char></span>用于清理资源
    int (*remove)(struct platform_device *);
    void (*shutdown)(struct platform_device *);
    int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);
    int (*resume)(struct platform_device *);
    // 内嵌的通用设备驱动结构<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>，</h-inner></h-char></span>包含了驱动信息如驱动名称<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>、</h-inner></h-char></span>所有者等
    struct device_driver driver;
    const struct platform_device_id *id_table;
    /* 其他字段省略 */
};

例子：同上，LED连接到GPIO。

  • 平台设备：定义一个平台设备来代表这个LED。
static struct platform_device led_device = {
    .name = "led",
    .id = -1,
    .dev = {
        .platform_data = &gpio_pin_number, // 假设这个GPIO引脚号作为平台数据
    },
};
  • 平台驱动：编写一个平台驱动来操作这个LED。
static struct platform_driver led_driver = {
    .probe      = led_probe,
    .remove     = led_remove,
    .driver     = {
        .name  = "led",
        .owner = THIS_MODULE,
    },
};

static int led_probe(struct platform_device *pdev)
{
    // 获取设备的GPIO引脚信息并初始化LED
    return 0;
}

static int led_remove(struct platform_device *pdev)
{
    // 清理LED相关的资源
    return 0;
}

技术细节：

  • 通过平台设备和平台驱动，系统可以自动匹配设备和驱动。led_probe 函数在匹配成功后初始化LED，led_remove 函数在设备卸载时清理资源。

匹配过程

平台设备与驱动的匹配过程大致如下：

  1. 设备注册：

    • 当内核启动或模块加载时，平台设备（struct platform_device）被注册到平台总线（platform_bus）上。

  2. 驱动注册：

    • 平台驱动（struct platform_driver）也需要注册到平台总线上。

  3. 设备树解析：

    • 如果使用设备树，内核会解析设备树文件（.dts或.dtb），从中获取设备信息，并创建相应的平台设备实例。

  4. 匹配尝试：

    • 内核尝试将注册的驱动与平台总线上的设备进行匹配。
    • 匹配过程主要遵循以下顺序：
      • 设备树匹配：优先尝试使用设备树匹配规则，检查设备的compatible属性与驱动的of_match_table是否匹配。
      • ID匹配：如果设备树匹配失败，尝试使用设备ID匹配。
      • 名称匹配：最后，尝试使用驱动和设备的名称匹配。

  5. 成功匹配：

    • 一旦找到匹配的设备和驱动，内核会调用驱动的probe方法。probe方法将接收到匹配的struct device（实际上是一个struct platform_device），驱动可以在这个方法中初始化设备。

  6. 资源分配：

    • 在probe方法中，驱动可以访问设备的资源（如IO内存、IRQ等），这些资源通常是通过设备树或平台设备注册时提供的。

  7. 设备绑定：

    • 如果probe方法成功，设备将绑定到驱动，设备现在可以正常工作。

  8. 失败处理：

    • 如果匹配失败或probe方法失败，内核会记录错误信息，驱动将不会绑定到设

3. 设备树（Device Tree）

背景：
随着SoC（System on Chip）的发展，硬件配置变得极为复杂和多样化，硬编码的方式变得难以维护。

思想：

  • 解耦硬件描述：将硬件的描述从内核代码中分离出来，形成独立的设备树描述文件（.dts, .dtsi）。
  • 动态配置：设备树提供了一种动态的、可配置的方式来描述系统硬件。

技术细节：

  • 设备树使用一种类似JSON的格式来描述硬件结构，包括节点（nodes）表示设备，属性（properties）表示设备的特性。
  • 内核中的设备树编译器（dtc）将设备树源文件编译成二进制格式（DTB），内核启动时加载DTB来配置硬件。
  • 驱动程序通过设备树中的信息来获取设备的地址、IRQ等信息，实现即插即用。

例子：同上，一个LED连接到GPIO。

  • 设备树描述：
/ {
    leds {
        compatible = "gpio-led";
        gpios = <&gpio 17 GPIO_ACTIVE_HIGH>; // 假设LED连接到GPIO17
        label = "led";
    };
};
  • 驱动代码：现在驱动可以从设备树中获取LED的配置信息。
static int led_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct device_node *node = pdev->dev.of_node;
    int gpio;

    if (of_property_read_u32(node, "gpios", &gpio))
        return -ENODEV;

    // 使用GPIO进行LED操作
    return 0;
}

设备树描述了硬件配置，驱动通过解析设备树节点来获取硬件信息（如GPIO引脚号）。这种方式使得硬件配置与内核代码解耦，硬件变化只需修改设备树文件即可。

进化意义：

  • 从面向对象到平台总线模型，再到设备树的演变过程中，硬件资源的管理变得越来越抽象和灵活。每个阶段都使得驱动开发和维护更加高效，减少了对具体硬件的依赖，增强了系统的可移植性和可维护性。通过LED点灯这个简单的例子，我们可以看到这种进化带来的实际好处：从最初的硬编码，到设备树的动态配置，使得系统对硬件变化的适应性大大增强。
  • 从面向对象到平台总线模型，再到设备树，硬件资源的管理和配置变得越来越抽象和通用，减少了对具体硬件的依赖，提升了系统的可移植性和可维护性。
  • 设备树的引入大大简化了内核的硬件描述方式，使得硬件支持的添加和修改变得更加灵活和高效。

这个过程展示了操作系统在面对越来越复杂的硬件环境时，不断优化和抽象硬件管理方法的演进过程。

常用依赖包管理工具换源方法大全

在国内使用一些依赖包管理工具时，由于网络问题，下载速度往往比较慢。通过切换到国内的镜像源，可以显著加快依赖包的下载速度。本文详细整理了常用依赖包管理工具切换到国内镜像的方法，帮助开发者提高效率。

1. npm 切换国内源

国内常用的 npm 镜像源是 淘宝镜像，它同步了官方 npm 仓库的内容，且下载速度较快。

设置淘宝镜像为默认源：

npm config set registry https://registry.npmmirror.com

验证是否设置成功：

npm config get registry
# 如果输出 https://registry.npmmirror.com<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>，</h-inner></h-char></span>说明设置成功<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>。</h-inner></h-char></span>

临时使用淘宝镜像：

npm install --registry=https://registry.npmmirror.com

2. Yarn 切换国内源

Yarn 同样可以直接使用淘宝镜像源。

设置淘宝镜像为默认源：

yarn config set registry https://registry.npmmirror.com

验证是否设置成功：

yarn config get registry
# 输出 https://registry.npmmirror.com 表示设置成功<span class="bd-box"><h-char class="bd bd-beg"><h-inner>。</h-inner></h-char></span>

临时使用淘宝镜像：

yarn add package-name --registry=https://registry.npmmirror.com

3. pip 切换国内源

Python 的包管理工具 pip 可以通过指定国内的镜像源来加速下载，推荐使用豆瓣源。

临时使用豆瓣源：

pip install package-name -i https://pypi.douban.com/simple

永久设置国内镜像：

在用户目录下创建或修改 pip 配置文件：

  • Windows: C:\Users\你的用户名\pip\pip.ini
  • macOS/Linux: ~/.pip/pip.conf

然后添加以下内容：

[global]
index-url = https://pypi.douban.com/simple

4. Conda 切换国内源

Conda 是 Anaconda 的包管理工具，设置国内镜像可以通过清华大学的镜像源。

临时使用清华源：

conda install package-name -c https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/

永久设置清华大学源：

conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/
conda config --set show_channel_urls yes

5. Composer 切换国内源

Composer 是 PHP 的包管理工具，可以使用中国全量镜像（由 Laravel China 社区维护）。

设置国内镜像：

composer config -g repo.packagist composer https://mirrors.aliyun.com/composer/

恢复默认源：

composer config -g --unset repos.packagist

6. RubyGems 切换国内源

Ruby 的包管理工具 gem 可以使用淘宝镜像。

设置淘宝镜像：

gem sources --add https://gems.ruby-china.com/ --remove https://rubygems.org/

确认源是否配置正确：

gem sources -l

7. Maven 切换国内源

Maven 是 Java 的包管理工具，可以通过修改 settings.xml 文件来使用国内镜像。

修改 settings.xml：

在 ~/.m2/settings.xml 中添加以下内容：

<mirrors>
  <mirror>
    <id>alimaven</id>
    <mirrorOf>central</mirrorOf>
    <name>aliyun maven</name>
    <url>https://maven.aliyun.com/repository/central</url>
    <layout>default</layout>
  </mirror>
</mirrors>

8. Gradle 切换国内源

对于 Android 开发者，Gradle 的国内源配置也可以显著加快依赖下载速度。

修改 build.gradle 文件：

allprojects {
    repositories {
        maven { url 'https://maven.aliyun.com/repository/public' }
        maven { url 'https://maven.aliyun.com/repository/jcenter' }
        maven { url 'https://maven.aliyun.com/repository/google' }
    }
}

9. Node.js 镜像加速

如果你需要安装 Node.js 本身，也可以通过淘宝镜像加速：

nvm install node --registry=https://registry.npmmirror.com

10. Docker 镜像加速

Docker 在国内下载镜像时可能会遇到速度缓慢的问题，可以使用国内的镜像源加速。

设置 Docker 国内镜像：

在 /etc/docker/daemon.json 中添加以下内容：

{
  "registry-mirrors": [
    "https://registry.docker-cn.com",
    "https://mirror.ccs.tencentyun.com"
  ]
}

然后重启 Docker：

sudo systemctl restart docker

11. apt 换源（Ubuntu/Debian）

apt 是 Ubuntu 和 Debian 系统常用的包管理工具。切换到国内镜像可以显著加快软件包的下载速度。常用的国内镜像源有 阿里云、清华大学 和 中科大 镜像源。

步骤 1：备份原有的源列表

先备份 /etc/apt/sources.list 文件：

sudo cp /etc/apt/sources.list /etc/apt/sources.list.bak

步骤 2：编辑 sources.list

使用文本编辑器打开 sources.list 文件：

sudo nano /etc/apt/sources.list

步骤 3：选择一个国内源替换原有的源

你可以选择以下任意一个国内镜像源来替换原有的源：

  • 阿里云镜像：
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-proposed main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
  • 清华大学镜像：
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse
  • 中科大镜像：
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-updates main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-backports main restricted universe multiverse
deb https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ focal-security main restricted universe multiverse

注意：focal 是 Ubuntu 20.04 的代号，如果你使用的是其他版本，请将 focal 替换为对应版本的代号。

步骤 4：更新软件包列表

保存并退出编辑器后，运行以下命令更新软件包列表：

sudo apt update

12. 总结

通过切换国内镜像源，你可以在很多常用的包管理工具中加速依赖的下载和安装过程，省下不少时间。以下是常见工具切换国内源的方法总结：

  • npm：淘宝镜像，npm config set registry https://registry.npmmirror.com
  • Yarn：淘宝镜像，yarn config set registry https://registry.npmmirror.com
  • pip：豆瓣源，pip install package-name -i https://pypi.douban.com/simple
  • Conda：清华源，conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/
  • Composer：阿里云源，composer config -g repo.packagist composer https://mirrors.aliyun.com/composer/
  • RubyGems：淘宝镜像，gem sources --add https://gems.ruby-china.com/ --remove https://rubygems.org/
  • Maven：阿里云源，修改 ~/.m2/settings.xml
  • Gradle：阿里云源，修改 build.gradle
  • Node.js：淘宝镜像，nvm install node --registry=https://registry.npmmirror.com
  • Docker：配置国内镜像，加速容器镜像下载
  • apt：使用阿里云、清华大学或中科大镜像加速软件包下载

小小吐槽——CSDN 为什么要强制登录？

在开发过程中，大家应该都有过这样的经历：你在 CSDN 上找到了一段有用的代码，然而，当你准备复制时，结果 CSDN 突然弹出一个登录框，让你必须登录才能复制。有些情况下甚至还会提示你充会员才能无障碍地复制。

这种体验真的让人心累。作为一个开发者，最需要的是高效地获取信息，而不是被迫跳过这些繁琐的登录步骤。CSDN 的这种行为让人感觉像是被“卡脖子”，逼迫你为基础的功能付费。

这就像你走进了一家图书馆，看到一本书的精彩片段，正准备抄下笔记，却被管理员拦住：“想抄？先交钱！” 这种强行限制内容获取的做法，似乎违背了互联网的初衷——信息的自由传播。

话是说回来，在如今信息发达的时代，GitHub 和 Stack Overflow 这样的平台提供丰富的开源资源，比起被限制的 CSDN，更值得推荐。

通过切换到国内镜像源，你可以显著加快下载依赖的速度，节省时间与精力。而至于某些平台的强制登录和会员制度，真的应该反思一下：知识的自由传播，难道不应该是互联网的初心吗？