树莓派4内核驱动生成1MHz GPIO时钟不稳定及模块加载异常问题

问题1：1MHz GPIO时钟偶尔卡顿 #

我在树莓派4上通过Linux内核驱动控制GPIO21生成稳定1MHz时钟，用逻辑分析仪检测时发现时钟偶尔卡顿，疑似内核线程被抢占，其余时段正常。测试时已将CPU模式设为performance，cntfrq_el0始终保持54MHz。

所用内核模块代码 #

#include <linux/module.h>       /* Needed by all modules */
#include <linux/kernel.h>       /* Needed for KERN_INFO */
#include <linux/init.h>         /* Needed for the macros */
#include <linux/delay.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/gpio.h>

#define GPIO_26 21

static int __init hello_start(void)
{
    unsigned i;
    u64 freq, base_clock, current_clock, target_elapsed;

    printk(KERN_INFO "Loading hello module...\n");
    if (!gpio_is_valid(GPIO_26)) {
        printk(KERN_INFO "GPIO_26 is not valid\n");
        return -1;         
    }
    // 原代码存在逻辑误判：gpio_request返回负值表示错误，此处判断等于0则返回错误
    if (!gpio_request(GPIO_26,"GPIO_26")) {
        printk(KERN_INFO "GPIO_26 cannot be requested\n");
        return -1;         
    }
    gpio_direction_output(GPIO_26, 0);

    asm volatile ("isb; mrs %0, cntfrq_el0" : "=r" (freq));
    printk(KERN_INFO "freq = %llu\n", freq);
    freq *= 1;
    freq /= 1000000;
    
    local_bh_disable();
    local_irq_disable();
    target_elapsed = 0;
    asm volatile ("isb; mrs %0, cntvct_el0" : "=r" (base_clock));
    for(i = 0; i < 500000; ++i) {
        target_elapsed += freq;
        while(true) {
            asm volatile ("isb; mrs %0, cntvct_el0" : "=r" (current_clock));
            if (current_clock-base_clock >= target_elapsed)
                break;
        }
        gpio_set_value(GPIO_26, i & 1);
    }
    local_irq_enable();
    local_bh_enable();

    gpio_free(GPIO_26);
    printk(KERN_INFO "Hello world\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_end(void)
{
}

module_init(hello_start);
module_exit(hello_end);

MODULE_LICENSE("GPL");

已完成的排查操作 #

2023年6月1日补充

• 修正了gpio_request()的错误判断逻辑：原代码将返回0（成功）误判为失败，现已明确返回负值才表示错误。
• 替换为gpiod_*系列函数，未解决卡顿问题。
• 直接通过ioremap()映射GPIO基地址0xfe200000（从/proc/iomem获取），手动控制引脚输出（尝试过ioremap_np()、直接内存赋值、iowrite32()、writel()等方式），卡顿现象依旧。
• 实测CNTPCT_EL0与CNTVCT_EL0计数无差异，未发现二者存在偏移，且CNTVCTSS_EL0寄存器不存在。
• 运行期间CNTFRQ_EL0始终稳定在54MHz。
• 计数器测量显示时序理论上完全稳定：25000个时钟周期（50000次电平变化）内，GPIO写入操作后的时钟值与上一次的差值为540（49999次）或541（仅1次），但逻辑分析仪仍能检测到卡顿。
• 该时钟用于Commodore 64的SID/VIC芯片仿真，时序问题阻碍项目推进。

2023年6月3日补充

• 参考"sloppy GPIO logic analyzer"项目代码添加preempt_disable_notrace()调用，无改善。
• 确认逻辑分析仪无故障：微控制器生成的稳定时钟被树莓派4捕获时出现不稳定时间戳，问题根源在树莓派4侧，疑似抢占机制未完全禁用。
• 尝试在自旋锁内运行时钟生成代码，验证local_irq_disable()的有效性，无变化。

提问：该卡顿现象的原因是什么？是否可通过禁用某些机制修复？

问题2：GPIO请求循环失败 #

首次加载模块时gpio_request()调用失败，模块被卸载；第二次执行insmod成功；执行rmmod卸载后再次insmod又失败，如此循环往复。

提问：该循环失败的原因是什么？

内容的提问来源于stack exchange，提问作者NoiseEHC