Input: psmouse-smbus - allow to control psmouse_deactivate
[sfrench/cifs-2.6.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 line direction
45  - methods used to access GPIO line values
46  - method to set electrical configuration to a a given GPIO line
47  - method to return the IRQ number associated to a given GPIO line
48  - flag saying whether calls to its methods may sleep
49  - optional line names array to identify lines
50  - optional debugfs dump method (showing extra state like pullup config)
51  - optional base number (will be automatically assigned if omitted)
52  - optional label for diagnostics and GPIO chip mapping using platform data
53
54 The code implementing a gpio_chip should support multiple instances of the
55 controller, possibly using the driver model. That code will configure each
56 gpio_chip and issue gpiochip_add[_data]() or devm_gpiochip_add_data().
57 Removing a GPIO controller should be rare; use [devm_]gpiochip_remove() when
58 it is unavoidable.
59
60 Often a gpio_chip is part of an instance-specific structure with states not
61 exposed by the GPIO interfaces, such as addressing, power management, and more.
62 Chips such as audio codecs will have complex non-GPIO states.
63
64 Any debugfs dump method should normally ignore signals which haven't been
65 requested as GPIOs. They can use gpiochip_is_requested(), which returns either
66 NULL or the label associated with that GPIO when it was requested.
67
68 RT_FULL: the GPIO driver should not use spinlock_t or any sleepable APIs
69 (like PM runtime) in its gpio_chip implementation (.get/.set and direction
70 control callbacks) if it is expected to call GPIO APIs from atomic context
71 on -RT (inside hard IRQ handlers and similar contexts). Normally this should
72 not be required.
73
74
75 GPIO electrical configuration
76 -----------------------------
77
78 GPIOs can be configured for several electrical modes of operation by using the
79 .set_config() callback. Currently this API supports setting debouncing and
80 single-ended modes (open drain/open source). These settings are described
81 below.
82
83 The .set_config() callback uses the same enumerators and configuration
84 semantics as the generic pin control drivers. This is not a coincidence: it is
85 possible to assign the .set_config() to the function gpiochip_generic_config()
86 which will result in pinctrl_gpio_set_config() being called and eventually
87 ending up in the pin control back-end "behind" the GPIO controller, usually
88 closer to the actual pins. This way the pin controller can manage the below
89 listed GPIO configurations.
90
91 If a pin controller back-end is used, the GPIO controller or hardware
92 description needs to provide "GPIO ranges" mapping the GPIO line offsets to pin
93 numbers on the pin controller so they can properly cross-reference each other.
94
95
96 GPIOs with debounce support
97 ---------------------------
98
99 Debouncing is a configuration set to a pin indicating that it is connected to
100 a mechanical switch or button, or similar that may bounce. Bouncing means the
101 line is pulled high/low quickly at very short intervals for mechanical
102 reasons. This can result in the value being unstable or irqs fireing repeatedly
103 unless the line is debounced.
104
105 Debouncing in practice involves setting up a timer when something happens on
106 the line, wait a little while and then sample the line again, so see if it
107 still has the same value (low or high). This could also be repeated by a clever
108 state machine, waiting for a line to become stable. In either case, it sets
109 a certain number of milliseconds for debouncing, or just "on/off" if that time
110 is not configurable.
111
112
113 GPIOs with open drain/source support
114 ------------------------------------
115
116 Open drain (CMOS) or open collector (TTL) means the line is not actively driven
117 high: instead you provide the drain/collector as output, so when the transistor
118 is not open, it will present a high-impedance (tristate) to the external rail.
119
120
121    CMOS CONFIGURATION      TTL CONFIGURATION
122
123             ||--- out              +--- out
124      in ----||                   |/
125             ||--+         in ----|
126                 |                |\
127                GND                 GND
128
129 This configuration is normally used as a way to achieve one of two things:
130
131 - Level-shifting: to reach a logical level higher than that of the silicon
132   where the output resides.
133
134 - inverse wire-OR on an I/O line, for example a GPIO line, making it possible
135   for any driving stage on the line to drive it low even if any other output
136   to the same line is simultaneously driving it high. A special case of this
137   is driving the SCL and SCA lines of an I2C bus, which is by definition a
138   wire-OR bus.
139
140 Both usecases require that the line be equipped with a pull-up resistor. This
141 resistor will make the line tend to high level unless one of the transistors on
142 the rail actively pulls it down.
143
144 The level on the line will go as high as the VDD on the pull-up resistor, which
145 may be higher than the level supported by the transistor, achieveing a
146 level-shift to the higher VDD.
147
148 Integrated electronics often have an output driver stage in the form of a CMOS
149 "totem-pole" with one N-MOS and one P-MOS transistor where one of them drives
150 the line high and one of them drives the line low. This is called a push-pull
151 output. The "totem-pole" looks like so:
152
153                  VDD
154                   |
155         OD    ||--+
156      +--/ ---o||     P-MOS-FET
157      |        ||--+
158 IN --+            +----- out
159      |        ||--+
160      +--/ ----||     N-MOS-FET
161         OS    ||--+
162                   |
163                  GND
164
165 The desired output signal (e.g. coming directly from some GPIO output register)
166 arrives at IN. The switches named "OD" and "OS" are normally closed, creating
167 a push-pull circuit.
168
169 Consider the little "switches" named "OD" and "OS" that enable/disable the
170 P-MOS or N-MOS transistor right after the split of the input. As you can see,
171 either transistor will go totally numb if this switch is open. The totem-pole
172 is then halved and give high impedance instead of actively driving the line
173 high or low respectively. That is usually how software-controlled open
174 drain/source works.
175
176 Some GPIO hardware come in open drain / open source configuration. Some are
177 hard-wired lines that will only support open drain or open source no matter
178 what: there is only one transistor there. Some are software-configurable:
179 by flipping a bit in a register the output can be configured as open drain
180 or open source, in practice by flicking open the switches labeled "OD" and "OS"
181 in the drawing above.
182
183 By disabling the P-MOS transistor, the output can be driven between GND and
184 high impedance (open drain), and by disabling the N-MOS transistor, the output
185 can be driven between VDD and high impedance (open source). In the first case,
186 a pull-up resistor is needed on the outgoing rail to complete the circuit, and
187 in the second case, a pull-down resistor is needed on the rail.
188
189 Hardware that supports open drain or open source or both, can implement a
190 special callback in the gpio_chip: .set_config() that takes a generic
191 pinconf packed value telling whether to configure the line as open drain,
192 open source or push-pull. This will happen in response to the
193 GPIO_OPEN_DRAIN or GPIO_OPEN_SOURCE flag set in the machine file, or coming
194 from other hardware descriptions.
195
196 If this state can not be configured in hardware, i.e. if the GPIO hardware does
197 not support open drain/open source in hardware, the GPIO library will instead
198 use a trick: when a line is set as output, if the line is flagged as open
199 drain, and the IN output value is low, it will be driven low as usual. But
200 if the IN output value is set to high, it will instead *NOT* be driven high,
201 instead it will be switched to input, as input mode is high impedance, thus
202 achieveing an "open drain emulation" of sorts: electrically the behaviour will
203 be identical, with the exception of possible hardware glitches when switching
204 the mode of the line.
205
206 For open source configuration the same principle is used, just that instead
207 of actively driving the line low, it is set to input.
208
209
210 GPIO drivers providing IRQs
211 ---------------------------
212 It is custom that GPIO drivers (GPIO chips) are also providing interrupts,
213 most often cascaded off a parent interrupt controller, and in some special
214 cases the GPIO logic is melded with a SoC's primary interrupt controller.
215
216 The IRQ portions of the GPIO block are implemented using an irqchip, using
217 the header <linux/irq.h>. So basically such a driver is utilizing two sub-
218 systems simultaneously: gpio and irq.
219
220 RT_FULL: a realtime compliant GPIO driver should not use spinlock_t or any
221 sleepable APIs (like PM runtime) as part of its irq_chip implementation.
222 - spinlock_t should be replaced with raw_spinlock_t [1].
223 - If sleepable APIs have to be used, these can be done from the .irq_bus_lock()
224   and .irq_bus_unlock() callbacks, as these are the only slowpath callbacks
225   on an irqchip. Create the callbacks if needed [2].
226
227 GPIO irqchips usually fall in one of two categories:
228
229 * CHAINED GPIO irqchips: these are usually the type that is embedded on
230   an SoC. This means that there is a fast IRQ flow handler for the GPIOs that
231   gets called in a chain from the parent IRQ handler, most typically the
232   system interrupt controller. This means that the GPIO irqchip handler will
233   be called immediately from the parent irqchip, while holding the IRQs
234   disabled. The GPIO irqchip will then end up calling something like this
235   sequence in its interrupt handler:
236
237   static irqreturn_t foo_gpio_irq(int irq, void *data)
238       chained_irq_enter(...);
239       generic_handle_irq(...);
240       chained_irq_exit(...);
241
242   Chained GPIO irqchips typically can NOT set the .can_sleep flag on
243   struct gpio_chip, as everything happens directly in the callbacks: no
244   slow bus traffic like I2C can be used.
245
246   RT_FULL: Note, chained IRQ handlers will not be forced threaded on -RT.
247   As result, spinlock_t or any sleepable APIs (like PM runtime) can't be used
248   in chained IRQ handler.
249   If required (and if it can't be converted to the nested threaded GPIO irqchip)
250   a chained IRQ handler can be converted to generic irq handler and this way
251   it will be a threaded IRQ handler on -RT and a hard IRQ handler on non-RT
252   (for example, see [3]).
253   Know W/A: The generic_handle_irq() is expected to be called with IRQ disabled,
254   so the IRQ core will complain if it is called from an IRQ handler which is
255   forced to a thread. The "fake?" raw lock can be used to W/A this problem:
256
257         raw_spinlock_t wa_lock;
258         static irqreturn_t omap_gpio_irq_handler(int irq, void *gpiobank)
259                 unsigned long wa_lock_flags;
260                 raw_spin_lock_irqsave(&bank->wa_lock, wa_lock_flags);
261                 generic_handle_irq(irq_find_mapping(bank->chip.irq.domain, bit));
262                 raw_spin_unlock_irqrestore(&bank->wa_lock, wa_lock_flags);
263
264 * GENERIC CHAINED GPIO irqchips: these are the same as "CHAINED GPIO irqchips",
265   but chained IRQ handlers are not used. Instead GPIO IRQs dispatching is
266   performed by generic IRQ handler which is configured using request_irq().
267   The GPIO irqchip will then end up calling something like this sequence in
268   its interrupt handler:
269
270   static irqreturn_t gpio_rcar_irq_handler(int irq, void *dev_id)
271         for each detected GPIO IRQ
272                 generic_handle_irq(...);
273
274   RT_FULL: Such kind of handlers will be forced threaded on -RT, as result IRQ
275   core will complain that generic_handle_irq() is called with IRQ enabled and
276   the same W/A as for "CHAINED GPIO irqchips" can be applied.
277
278 * NESTED THREADED GPIO irqchips: these are off-chip GPIO expanders and any
279   other GPIO irqchip residing on the other side of a sleeping bus. Of course
280   such drivers that need slow bus traffic to read out IRQ status and similar,
281   traffic which may in turn incur other IRQs to happen, cannot be handled
282   in a quick IRQ handler with IRQs disabled. Instead they need to spawn a
283   thread and then mask the parent IRQ line until the interrupt is handled
284   by the driver. The hallmark of this driver is to call something like
285   this in its interrupt handler:
286
287   static irqreturn_t foo_gpio_irq(int irq, void *data)
288       ...
289       handle_nested_irq(irq);
290
291   The hallmark of threaded GPIO irqchips is that they set the .can_sleep
292   flag on struct gpio_chip to true, indicating that this chip may sleep
293   when accessing the GPIOs.
294
295 To help out in handling the set-up and management of GPIO irqchips and the
296 associated irqdomain and resource allocation callbacks, the gpiolib has
297 some helpers that can be enabled by selecting the GPIOLIB_IRQCHIP Kconfig
298 symbol:
299
300 * gpiochip_irqchip_add(): adds a chained irqchip to a gpiochip. It will pass
301   the struct gpio_chip* for the chip to all IRQ callbacks, so the callbacks
302   need to embed the gpio_chip in its state container and obtain a pointer
303   to the container using container_of().
304   (See Documentation/driver-model/design-patterns.txt)
305
306 * gpiochip_irqchip_add_nested(): adds a nested irqchip to a gpiochip.
307   Apart from that it works exactly like the chained irqchip.
308
309 * gpiochip_set_chained_irqchip(): sets up a chained irq handler for a
310   gpio_chip from a parent IRQ and passes the struct gpio_chip* as handler
311   data. (Notice handler data, since the irqchip data is likely used by the
312   parent irqchip!).
313
314 * gpiochip_set_nested_irqchip(): sets up a nested irq handler for a
315   gpio_chip from a parent IRQ. As the parent IRQ has usually been
316   explicitly requested by the driver, this does very little more than
317   mark all the child IRQs as having the other IRQ as parent.
318
319 If there is a need to exclude certain GPIOs from the IRQ domain, you can
320 set .irq.need_valid_mask of the gpiochip before gpiochip_add_data() is
321 called. This allocates an .irq.valid_mask with as many bits set as there
322 are GPIOs in the chip. Drivers can exclude GPIOs by clearing bits from this
323 mask. The mask must be filled in before gpiochip_irqchip_add() or
324 gpiochip_irqchip_add_nested() is called.
325
326 To use the helpers please keep the following in mind:
327
328 - Make sure to assign all relevant members of the struct gpio_chip so that
329   the irqchip can initialize. E.g. .dev and .can_sleep shall be set up
330   properly.
331
332 - Nominally set all handlers to handle_bad_irq() in the setup call and pass
333   handle_bad_irq() as flow handler parameter in gpiochip_irqchip_add() if it is
334   expected for GPIO driver that irqchip .set_type() callback have to be called
335   before using/enabling GPIO IRQ. Then set the handler to handle_level_irq()
336   and/or handle_edge_irq() in the irqchip .set_type() callback depending on
337   what your controller supports.
338
339 It is legal for any IRQ consumer to request an IRQ from any irqchip no matter
340 if that is a combined GPIO+IRQ driver. The basic premise is that gpio_chip and
341 irq_chip are orthogonal, and offering their services independent of each
342 other.
343
344 gpiod_to_irq() is just a convenience function to figure out the IRQ for a
345 certain GPIO line and should not be relied upon to have been called before
346 the IRQ is used.
347
348 So always prepare the hardware and make it ready for action in respective
349 callbacks from the GPIO and irqchip APIs. Do not rely on gpiod_to_irq() having
350 been called first.
351
352 This orthogonality leads to ambiguities that we need to solve: if there is
353 competition inside the subsystem which side is using the resource (a certain
354 GPIO line and register for example) it needs to deny certain operations and
355 keep track of usage inside of the gpiolib subsystem. This is why the API
356 below exists.
357
358
359 Locking IRQ usage
360 -----------------
361 Input GPIOs can be used as IRQ signals. When this happens, a driver is requested
362 to mark the GPIO as being used as an IRQ:
363
364         int gpiochip_lock_as_irq(struct gpio_chip *chip, unsigned int offset)
365
366 This will prevent the use of non-irq related GPIO APIs until the GPIO IRQ lock
367 is released:
368
369         void gpiochip_unlock_as_irq(struct gpio_chip *chip, unsigned int offset)
370
371 When implementing an irqchip inside a GPIO driver, these two functions should
372 typically be called in the .startup() and .shutdown() callbacks from the
373 irqchip.
374
375 When using the gpiolib irqchip helpers, these callback are automatically
376 assigned.
377
378 Real-Time compliance for GPIO IRQ chips
379 ---------------------------------------
380
381 Any provider of irqchips needs to be carefully tailored to support Real Time
382 preemption. It is desirable that all irqchips in the GPIO subsystem keep this
383 in mind and does the proper testing to assure they are real time-enabled.
384 So, pay attention on above " RT_FULL:" notes, please.
385 The following is a checklist to follow when preparing a driver for real
386 time-compliance:
387
388 - ensure spinlock_t is not used as part irq_chip implementation;
389 - ensure that sleepable APIs are not used as part irq_chip implementation.
390   If sleepable APIs have to be used, these can be done from the .irq_bus_lock()
391   and .irq_bus_unlock() callbacks;
392 - Chained GPIO irqchips: ensure spinlock_t or any sleepable APIs are not used
393   from chained IRQ handler;
394 - Generic chained GPIO irqchips: take care about generic_handle_irq() calls and
395   apply corresponding W/A;
396 - Chained GPIO irqchips: get rid of chained IRQ handler and use generic irq
397   handler if possible :)
398 - regmap_mmio: Sry, but you are in trouble :( if MMIO regmap is used as for
399   GPIO IRQ chip implementation;
400 - Test your driver with the appropriate in-kernel real time test cases for both
401   level and edge IRQs.
402
403
404 Requesting self-owned GPIO pins
405 -------------------------------
406
407 Sometimes it is useful to allow a GPIO chip driver to request its own GPIO
408 descriptors through the gpiolib API. Using gpio_request() for this purpose
409 does not help since it pins the module to the kernel forever (it calls
410 try_module_get()). A GPIO driver can use the following functions instead
411 to request and free descriptors without being pinned to the kernel forever.
412
413         struct gpio_desc *gpiochip_request_own_desc(struct gpio_desc *desc,
414                                                     const char *label)
415
416         void gpiochip_free_own_desc(struct gpio_desc *desc)
417
418 Descriptors requested with gpiochip_request_own_desc() must be released with
419 gpiochip_free_own_desc().
420
421 These functions must be used with care since they do not affect module use
422 count. Do not use the functions to request gpio descriptors not owned by the
423 calling driver.
424
425 [1] http://www.spinics.net/lists/linux-omap/msg120425.html
426 [2] https://lkml.org/lkml/2015/9/25/494
427 [3] https://lkml.org/lkml/2015/9/25/495