全志模块设备开发之GPIO编程基础介绍

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## 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《kernel\Documentation\gpio\sysfs.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。  ​ 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0~31。以此类推，IMX6ULL的GPION_X（N=1~5，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。  ### 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。  ### 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。  ## 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。 ```c 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。 ```c 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 ```c 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。 ```c 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 gpio\r\n"); 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 ok\r\n"); 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。  ### 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。 ```c 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。 ```c 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 direction\r\n"); 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 ok\r\n"); 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。  ### 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。 ```c 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。 ```c 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 init\r\n"); 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 ok\r\n"); 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 off\r\n"); 206 usleep(500000); //delay 207 sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 0);//output low 208 printf("led on\r\n"); 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）。  ### 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。 ```c 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。 ```c 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 init\r\n"); 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 ok\r\n"); 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 \n\r",value1); 208 if(value1==0)//key1 pressed 209 { 210 printf("@@key1 is pressed 0\n\r"); 211 } 212 sysfs_gpio_get_value(GPIO_KEY2, &value2);//read key2 value 213 //printf("##key2 value 1is %d \n\r",value2); 214 if(value2==0)//key2 pressed 215 { 216 printf("##key2 is pressed 0\n\r"); 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。  ### 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 ```c 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 init\r\n"); 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 ok\r\n"); 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 \n\r",value1); 208 if(value1==0)//key1 pressed 209 { 210 printf("@@key1 is pressed 0\n\r"); 211 } 212 sysfs_gpio_get_value(GPIO_KEY2, &value2);//read key2 value 213 //printf("##key2 value 1is %d \n\r",value2); 214 if(value2==0)//key2 pressed 215 { 216 printf("##key2 is pressed 0\n\r"); 217 } 218 //led flash 219 sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 1); 220 printf("LED OFF\n\r"); 221 usleep(500000); 222 sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 0); 223 printf("LED ON\n\r"); 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）。