Linux应用开发【第九章】GPIO编程应用开发

weidongshan 2021-12-10 789

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文章目录

  • 9 GPIO编程应用开发
    • 9.1 GPIO编程基础介绍
    • 9.2 GPIO编程软件接口
      • 9.2.1 控制接口
      • 9.2.2 GPIO信号
      • 9.2.3 GPIO控制器
    • 9.3 IMX6ULL开发板GPIO编号的确定
      • 9.3.1 LED的GPIO编号计算
      • 9.3.2 按键的GPIO编号计算
      • 9.3.3 特殊情况下的GPIO编号计算
    • 9.4 实际编程操作
      • 9.4.1 导出GPIO口
      • 9.4.2 设置GPIO方向
      • 9.4.3 GPIO输出实验-LED输出控制
      • 9.4.4 GPIO输入试验-按键值读取
      • 9.4.5 LED和按键控制实验

 

9 GPIO编程应用开发

9.1 GPIO编程基础介绍

​ GPIO(General-Purpose IO Ports)，即通用IO接口。GPIO的使用较为简单，主要分为输入和输出两种功能。GPIO主要用于实现一些简单设备的控制。在作为输入型GPIO的情况下，我们可以将该IO连接外部按键或者传感器，用于检测外部状态。当作为输出时，我们可以通过输出高低电平来控制外部设备的运转。

​ 由于GPIO的功能多种多样，我们需要首先将引脚设置为GPIO。设置为GPIO之后，我们需要设置GPIO的方向。当设置为输出时，我们可以控制输出高电平或者低电平。当设置为输入时，我们可以读取GPIO的电平来判断外部输入电平的高低。

9.2 GPIO编程软件接口

​ GPIO编程有多种实现方式，在这里，我们通过sysfs方式来实现GPIO的控制实现。

​ 如果要通过sysfs方式控制gpio，首先需要底层内核的支持。为了实现内核对sysfs gpio的支持，我们需要在内核中进行设置。在编译内核的时候，加入 Device Drivers-> GPIO Support ->/sys/class/gpio/… (sysfs interface)。作为GPIO的引脚，不允许在内核中被用作其他用途。

​ 在系统正常运行之后，我们可以在/sys/class/gpio下看到sysfs控制相关的接口。有三种类型的接口， 分别是控制接口，GPIO信号和GPIO控制器三种接口。这部分的具体介绍可参考《kernelDocumentationgpiosysfs.txt》。

9.2.1 控制接口

​ 控制接口用于实现在用户空间对GPIO的控制，主要包括/sys/class/gpio/export和/sys/class/gpio/unexport两个接口。这这两个控制接口都是只写的，/sys/class/gpio/export实现将GPIO控制从内核空间导出到用户空间，/sys/class/gpio/unexport用于实现取消GPIO控制从内核空间到用户空间的导出。

​ 下面以引脚编号为19的GPIO为例进行说明，在/sys/class/gpio/目录下，我们执行"echo 19 > export"之后，将会产生一个”gpio19”节点来控制引脚编号为19的GPIO。我们执行"echo 19 > unexport"之后，将会删除之前通过export产生的”gpio19”节点。为了使用gpio，我们需要首先使用/sys/class/gpio/export导出gpio引脚编号。完成使用之后，通过/sys/class/gpio/unexport删除掉之前导出的gpio引脚。

9.2.2 GPIO信号

​ GPIO信号，即为GPIO本身，其路径为/sys/class/gpio/gpioN/,拥有多个属性。通过对这些属性进行控制，就可以实现对GPIO的控制。

“direction”属性，读取的值为”in”或者”out”。通过对该属性写入”in”或者”out”可以设置该GPIO为输入或者输出。如果直接写入”out”，则会使GPIO直接输出低电平。也可以通过写入”low”或者”high”来直接设置输出低电平或者高电平。

”value”属性，用于读取输入电平或者控制输出电平。如果GPIO为输出，则对value写入0为输出低电平，写入非0为输出高电平。如果设置为输入的话，则读到0表示输入为低电平，1为高电平。

”edge”属性，用于设置触发电平，只有在GPIO可以设置为中断输入引脚时才会出现该属性。

9.2.3 GPIO控制器

​ GPIO控制器，用于表示GPIO 控制实现的初始GPIO，其路径为/sys/class/gpio/gpiochipN/。比如/sys/class/gpio/gpiochip42/ 则表示实现GPIO控制器的初始化编号为42。GPIO控制器的属性为只读属性，包括base、label和ngpio等多个。

”base”属性，和gpiochipN的N代表的含义相同，表示被该组GPIO控制器实现的第一个GPIO.

” ngpio”属性，用于表示该控制器支持多少个GPIO，支持的GPIO编号为从N到N+ngpio-1

” label”属性，用于判断控制器，并不总是唯一的

9.3 IMX6ULL开发板GPIO编号的确定

​ 每个芯片可以有N组GPIO，每组GPIO最多有32个GPIO，即最多有N*32个GPIO。但是在实际设计中，每组的GPIO数量各有不同。在IMX6ULL中，实际每组拥有的GPIO数量如下图所示，具体详见《IMX6ULLRM.pdf》手册1347页。

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​ 从上图可以看到，在IMX6ULL中，共有5组GPIO，起始GPIO组为GPIO1。因此在实际GPIO编号计算中，第一组GPIO1对应的编号为031。以此类推，IMX6ULL的GPION_X（N=15，X=0~31对应的编号实际为（N-1）*32+X。接下来，我们以板载的LED和按键各自对应的GPIO为例来说明如何在实际应用中计算GPIO编号。

9.3.1 LED的GPIO编号计算

​ 从原理图中找到对应LED的设计，具体的连接如下图所示。从图中我们可以看到，LED连接到的GPIO为GPIO5_3，其对应的GPIO编号实际为（5-1）*32+3 = 131。因此，我们如果要在sys_gpio中操作LED，我们就需要将编号131的GPIO进行导出。

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9.3.2 按键的GPIO编号计算

​ 从原理图中找到对应按键的设计，底板有2个按键，具体的连接如下图所示。从图中我们可以看到，两个按键连接到的GPIO分别为GPIO5_1和GPIO4_14，第一个按键KEY1对应的GPIO编号为（5-1） *32+1 = 129，第二个按键KEY2对应的GPIO编号为（4-1） *32+14=110。因此，我们如果要在sys_gpio中读取按键KEY1和KEY2的值，，我们就需要将编号129和110的GPIO进行导出。

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9.3.3 特殊情况下的GPIO编号计算

​ 在有些情况下，起始的gpiochipN不是gpiochip0。这个时候 ，我们就需要在原有的GPIO编号基础上加上起始gpiochipN值进行计算。下图所示的为其实gpiochip为gpiochip0的情况。

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9.4 实际编程操作

​ 在实际操作中，我们使用LED和按键实现了GPIO输出和输入的实验，相关的实验过程和相关代码如下。

9.4.1 导出GPIO口

​ 为了导出GPIO口，我们需要向/sys/class/gpio/export写入需要导出的引脚编号。在使用之后，我们也可以使用/sys/class/gpio/unexport取消导出引脚编号。

​ 导出引脚编号的实现代码如下所示，具体详见《sysfs_gpio_1_export_gpio sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_export()函数。

32 int sysfs_gpio_export(unsigned int gpio)
33 {
34     int fd, len;
35     char buf[MAX_BUF];
36 	// /sys/class/gpio/export
37     fd = open( "/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);//打开文件
38     if (fd < 0) {
39         perror("gpio/export");
40         return fd;
41     }
42  
43     len = snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", gpio);//从数字变换为字符串，即1 变为”1“
44     write(fd, buf, len);//将需要导出的GPIO引脚编号进行写入
45     close(fd);//关闭文件
46  
47     return 0;
48 }

​ 取消导出引脚编号的实现代码如下所示，具体详见《sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_unexport()函数。

59 int sysfs_gpio_unexport(unsigned int gpio)
60 {
61     int fd, len;
62     char buf[MAX_BUF];
63 	// /sys/class/gpio/unexport
64     fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY);//打开文件
65     if (fd < 0) {
66         perror("gpio/export");
67         return fd;
68     }
69  
70     len = snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", gpio);//从数字变换为字符串，即1 变为”1“
71     write(fd, buf, len);//将需要取消导出的GPIO引脚编号进行写入
72     close(fd);//关闭文件
73     return 0;
74 }

​ 在实现导出和取消导出引脚编号的函数之后，我们来实现具体的引脚编号的导出。LED和按键各自对应的引脚编号如下所示

11 #define GPIO4_14	110
12 #define GPIO5_1 	129
13 #define GPIO5_3	131 	
14 
15 #define GPIO_KEY1     GPIO4_14
16 #define GPIO_KEY2     GPIO5_1
17 #define GPIO_LED	  	 GPIO5_3

​ 在确定了各自对应的引脚编号，我们就可以进行导出了。具体实现代码在程序文件《sysfs_gpio_1_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函数，下为对应代码部分，我们将LED和按键对应的引脚都进行了导出。

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187 	printf("t********************************************n");
188     printf("t********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************n");
189     printf("t******** version date: 2020/05    **********n");
190     printf("t********************************************n");    
191 
192 	printf("gpio begin to export gpiorn");
193     sysfs_gpio_export(GPIO_KEY1);//export gpio key1
194     sysfs_gpio_export(GPIO_KEY2);//export gpio key2
195     sysfs_gpio_export(GPIO_LED);//export gpio led
196     printf("gpio export gpio okrn");
197 
198 
199     return 0;
200 }

​ 在将代码编译之后，我们将代码在板卡上进行运行。代码运行之后的的结果如下图所示，可以看到成功的将GPIO110、GPIO129和GPIO131进行了导出。

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9.4.2 设置GPIO方向

​ 为了实现导出的引脚的方向设置，我们需要对/sys/class/gpio/gpioN/direction写入不同的值。写入“in”则表示设置为输入，写入“out”则表示设置为输出。设置引脚编号的的实现代码如下所示，具体详见《sysfs_gpio_2_export_gpio sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_set_dir ()函数。

86 int sysfs_gpio_set_dir(unsigned int gpio, unsigned int out_flag)
87 {
88     int fd, len;
89     char buf[MAX_BUF];
90 	// /sys/class/gpio/gpioN/direction
91     len = snprintf(buf, sizeof(buf), SYSFS_GPIO_DIR  "/gpio%d/direction", gpio);
92  
93     fd = open(buf, O_WRONLY);//打开文件
94     if (fd < 0) {
95         perror(buf);
96         return fd;
97     }
98  
99     if (out_flag)//为1，则写入“out"，即设置为输出
100         write(fd, "out", 4);
101     else//为0，则写入“in"，即设置为输入
102         write(fd, "in", 3);
103  
104     close(fd);//关闭文件
105     return 0;
106 }

​ 在实现引脚方向的设置函数之后，我们分别针对按键和LED设置各自不同的方向。将按键设置为输入“IN”,将LED设置为输出“out”，对应的代码如下图所示。相关的代码在程序文件《sysfs_gpio_2_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函数，下为对应代码部分。

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187 	printf("t********************************************n");
188     printf("t********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************n");
189     printf("t******** version date: 2020/05    **********n");
190     printf("t********************************************n");    
191 		
192 	printf("begin to export gpio and directionrn");
193     sysfs_gpio_export(GPIO_KEY1);//export gpio key1
194     sysfs_gpio_export(GPIO_KEY2);//export gpio key2
195     sysfs_gpio_export(GPIO_LED);//export gpio led
196 
197     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_KEY1, 0);//set as input
198     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_KEY2, 0);//set as input
199     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_LED, 1);//set as output
200     printf(" export gpio and direction okrn");
201 
202 
203 
204     return 0;
205 }

​ 在将代码编译之后，我们将代码在板卡上进行运行。代码运行之后的的结果如下图所示，我们可以看到按键GPIO110和GPIO129的方向设置成了输入，LED2的GPIO131设置成了输入。

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9.4.3 GPIO输出实验-LED输出控制

​ 为了设置引脚的输出电平高低，我们需要对/sys/class/gpio/gpioN/value写入不同的值。写入‘1’则表示输出高电平，写入‘0’则表示输出低电平。设置引脚输出高低电平的的实现代码如下所示，具体详见《sysfs_gpio_3_export_gpio sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_set_value ()函数。

119 int sysfs_gpio_set_value(unsigned int gpio, unsigned int value)
120 {
121     int fd, len;
122     char buf[MAX_BUF];
123 	// /sys/class/gpio/gpioN/value
124     len = snprintf(buf, sizeof(buf), SYSFS_GPIO_DIR "/gpio%d/value", gpio);
125  
126     fd = open(buf, O_WRONLY);//打开文件
127     if (fd < 0) {
128         perror(buf);
129         return fd;
130     }
131  
132     if (value)//为1，则写入“1"，即设置为输出高电平
133         write(fd, "1", 2);
134     else//为0，则写入“0"，即设置为输出低电平
135         write(fd, "0", 2);
136  
137     close(fd);//关闭文件
138     return 0;
139 }

​ 在实现引脚输出电平的控制函数之后，我们来实现LED的控制。我们通过将“1”或“0”写入value来控制GPIO输出高电平或者低电平，具体相关的代码在程序文件《sysfs_gpio_3_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函数，下为对应代码部分。

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187 	printf("t********************************************n");
188     printf("t********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************n");
189     printf("t******** version date: 2020/05    **********n");
190     printf("t********************************************n");    
191 		
192 	printf("led begin to initrn");
193     sysfs_gpio_export(GPIO_LED);//export gpio led
194 
195     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_LED, 1);//set as output
196     printf("led init okrn");
197 
198 
199     /* Confirm INIT_B Pin as High */
200 	while(1)
201 	{
202     
203        
204 		sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 1);//output high 
205 		printf("led offrn");
206 		usleep(500000);	//delay	
207 		sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 0);//output low 
208 		printf("led onrn");
209 		usleep(500000);//delay
210     }
211 	
212     sysfs_gpio_unexport(GPIO_LED);//unexport gpio led
213 
214     return 0;
215 }

​ 在将代码编译之后，我们将代码在板卡上进行运行。代码运行之后的的结果如下图所示， 可以看到规律性的打印LED控制信息（实物可以看到LED灯闪烁）。

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9.4.4 GPIO输入试验-按键值读取

​ 为了读取引脚输入的电平高低，我们需要读取/sys/class/gpio/gpioN/value的值。读到的是‘1’则表输入为高电平，读到的是‘0’则表示输入为低电平。读取引脚输入电平的、的的实现代码如下所示，具体详见《sysfs_gpio_4_export_gpio sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_get_value ()函数。

152 int sysfs_gpio_get_value(unsigned int gpio, unsigned int *value)
153 {
154     int fd, len;
155     char buf[MAX_BUF];
156     char ch;
157 	// /sys/class/gpio/gpioN/value
158     len = snprintf(buf, sizeof(buf), SYSFS_GPIO_DIR "/gpio%d/value", gpio);
159  
160     fd = open(buf, O_RDONLY);//打开文件
161     if (fd < 0) {
162         perror("gpio/get-value");
163         return fd;
164     }
165  
166     read(fd, &ch, 1);//读取外部输入电平
167 
168     if (ch != '0') {//为'1'，则设置为1，即输入为高电平
169         *value = 1;
170     } else {//为'0'，则设置为0，即输入为低电平
171         *value = 0;
172     }
173  
174     close(fd);//关闭文件
175     return 0;
176 }

​ 在实现引脚电平读取函数之后，我们来实现外部按键值得读取，我们通过读取value的值来读取按键值，具体相关的代码在程序文件《sysfs_gpio_4_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函数，下为对应代码部分。

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187 	printf("t********************************************n");
188     printf("t********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************n");
189     printf("t******** version date: 2020/05    **********n");
190     printf("t********************************************n");    
191 		
192 	printf("key begin to initrn");
193     sysfs_gpio_export(GPIO_KEY1);//export gpio key1
194     sysfs_gpio_export(GPIO_KEY2);//export gpio key2
195     
196     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_KEY1, 0);//set as input
197     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_KEY2, 0);//set as input
198    
199     printf("key init okrn");
200 
201 
202     /* Confirm INIT_B Pin as High */
203 	while(1)
204 	{
205     
206         sysfs_gpio_get_value(GPIO_KEY1, &value1);	//read key1 value	
207 		//printf("@@key1 value 1is %d nr",value1);
208 		if(value1==0)//key1 pressed
209 		{
210 			printf("@@key1 is pressed 0nr");			
211 		}
212 		sysfs_gpio_get_value(GPIO_KEY2, &value2);//read key2 value	
213 		//printf("##key2 value 1is %d nr",value2);
214 		if(value2==0)//key2 pressed
215 		{
216 			printf("##key2 is pressed 0nr");			
217 		}
218 		usleep(100000);//delay
219 				
220     }
221 	
222 	sysfs_gpio_unexport(GPIO_KEY1);//unexport gpio key1
223     sysfs_gpio_unexport(GPIO_KEY2);//unexport gpio key2
224    
225 
226     return 0;
227 }

​ 在将代码编译之后，我们将代码在板卡上进行运行。代码运行之后的的结果如下图所示，我们可以看到在按键KEY1和KEY2按下之后打印的值各有不同。

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9.4.5 LED和按键控制实验

​ 在前几个实验中，我们分别实现了LED和按键各自的控制。在这个实验中，我们将前几个实验进行整合，控制LED得闪烁，并读取按键得值。当按键按下时，打印相关信息。具体相关的代码在程序文件《sysfs_gpio_5_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函数，下为对应代码部分

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187 	printf("t********************************************n");
188     printf("t********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************n");
189     printf("t******** version date: 2020/05    **********n");
190     printf("t********************************************n");    
191 		
192 	printf("led&key begin to initrn");
193     sysfs_gpio_export(GPIO_KEY1);//export gpio key1
194     sysfs_gpio_export(GPIO_KEY2);//export gpio key2
195     sysfs_gpio_export(GPIO_LED);//export gpio led
196     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_KEY1, 0);//set as input
197     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_KEY2, 0);//set as input
198     sysfs_gpio_set_dir(GPIO_LED, 1);//set as output
199     printf("led&key init okrn");
200 
201 
202     /* Confirm INIT_B Pin as High */
203 	while(1)
204 	{
205     
206         sysfs_gpio_get_value(GPIO_KEY1, &value1);	//read key1 value		
207 		//printf("@@key1 value 1is %d nr",value1);
208 		if(value1==0)//key1 pressed
209 		{
210 			printf("@@key1 is pressed 0nr");			
211 		}
212 		sysfs_gpio_get_value(GPIO_KEY2, &value2);//read key2 value	
213 		//printf("##key2 value 1is %d nr",value2);
214 		if(value2==0)//key2 pressed
215 		{
216 			printf("##key2 is pressed 0nr");			
217 		}
218 		//led flash 
219 		sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 1);
220 		printf("LED OFFnr");		
221 		usleep(500000);
222 		sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 0);
223 		printf("LED ONnr");		
224 		usleep(500000);
225     }
226 	
227 	sysfs_gpio_unexport(GPIO_KEY1);//unexport gpio key1
228     sysfs_gpio_unexport(GPIO_KEY2);//unexport gpio key2
229     sysfs_gpio_unexport(GPIO_LED);//unexport gpio led
230 
231     return 0;
232 }

​ 在将代码编译之后，我们将代码在板卡上进行运行。代码运行之后的的结果如下图所示，可以看到LED闪烁，按键KEY1和KEY2按下之后打印的值各有不同（因为LED的闪烁导致按键需要经过一次LED闪烁之后才能读取，因此按键必须一直按着才能读取到值的变化）。
 

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审核编辑 黄昊宇
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