原子学习笔记4——GPIO 应用编程

一、应用层如何操控 GPIO

与 LED 设备一样，GPIO 同样也是通过 sysfs 方式进行操控，进入到/sys/class/gpio 目录下，如下所示：

• gpiochipX：当前 SoC 所包含的 GPIO 控制器，我们知道 I.MX6UL/I.MX6ULL 一共包含了 5 个 GPIO控制器，分别为 GPIO1、GPIO2、GPIO3、GPIO4、GPIO5，在这里分别对应 gpiochip0、gpiochip32、gpiochip64、gpiochip96、gpiochip128 这 5 个文件夹，每一个 gpiochipX 文件夹用来管理一组 GPIO。随便进入到其中某个目录下，可以看到这些目录下包含了如下文件：
  
  在这个目录我们主要关注的是 base、label、ngpio 这三个属性文件，这三个属性文件均是只读、不可写。

• base：与 gpiochipX 中的 X 相同，表示该控制器所管理的这组 GPIO 引脚中最小的编号。每一个 GPIO引脚都会有一个对应的编号，Linux 下通过这个编号来操控对应的 GPIO 引脚。
  
  可以看出gpiochip0最小编号为0，而gpiochip32最小编号为32.

• label：该组 GPIO 对应的标签，也就是名字。
  

• ngpio：该控制器所管理的 GPIO 引脚的数量（所以引脚编号范围是：base ~ base+ngpio-1）。
  
  对于给定的一个 GPIO 引脚，如何计算它在 sysfs 中对应的编号呢？其实非常简单，譬如给定一个 GPIO引脚为 GPIO4_IO16，那它对应的编号是多少呢？首先我们要确定 GPIO4 对应于gpiochip96，该组 GPIO 引脚的最小编号是 96（对应于 GPIO4_IO0），所以 GPIO4_IO16 对应的编号自然是 96 + 16 = 112；同理GPIO3_IO20 对应的编号是 64 + 20 = 84。

• export：用于将指定编号的 GPIO 引脚导出。在使用 GPIO 引脚之前，需要将其导出，导出成功之后才能使用它。注意 export 文件是只写文件，不能读取，将一个指定的编号写入到 export 文件中即可将对应的 GPIO 引脚导出，譬如：

echo 0 > export # 导出编号为 0 的 GPIO 引脚（对于 I.MX6UL/I.MX6ULL 来说，也就是GPIO1_IO0）

导出成功之后会发现在/sys/class/gpio 目录下生成了一个名为 gpio0 的文件夹（gpioX，X 表示对应的编号），如图所示。这个文件夹就是导出来的 GPIO 引脚对应的文件夹，用于管理、控制该 GPIO 引脚。

• unexport：将导出的 GPIO 引脚删除。当使用完 GPIO 引脚之后，我们需要将导出的引脚删除，同样该文件也是只写文件、不可读，譬如：

echo 0 > unexport # 删除导出的编号为 0 的 GPIO 引脚

删除成功之后，之前生成的 gpio0 文件夹就会消失！
控制 GPIO 引脚主要是通过 export 导出之后所生成的 gpioX（X 表示对应的编号）文件夹，在该文件夹目录下存在一些属性文件可用于控制 GPIO引脚的输入、输出以及输出的电平状态等。
Tips：需要注意的是，并不是所有 GPIO 引脚都可以成功导出，如果对应的 GPIO 已经在内核中被使用了，那便无法成功导出，打印如下信息：

那也就是意味着该引脚已经被内核使用了，譬如某个驱动使用了该引脚，那么将无法导出成功！

gpioX
将指定的编号写入到 export 文件中，可以导出指定编号的 GPIO 引脚，导出成功之后会在/sys/class/gpio目录下生成对应的 gpioX（X 表示 GPIO 的编号）文件夹，以前面所生成的 gpio0 为例，进入到 gpio0 目录，该目录下的文件如下所示：

我们主要关心的文件是 active_low、direction、edge 以及 value 这四个属性文件，接下来分别介绍这四个属性文件的作用：

• direction：配置 GPIO 引脚为输入或输出模式。该文件可读、可写，读表示查看 GPIO 当前是输入还是输出模式，写表示将 GPIO 配置为输入或输出模式；读取或写入操作可取的值为"out"（输出模式）和"in"（输入模式），如下所示：
  
• value：在 GPIO 配置为输出模式下，向 value 文件写入"0"控制 GPIO 引脚输出低电平，写入"1"则控制 GPIO 引脚输出高电平。在输入模式下，读取 value 文件获取 GPIO 引脚当前的输入电平状态。譬如：

# 获取 GPIO 引脚的输入电平状态
echo "in" > direction
cat value
# 控制 GPIO 引脚输出高电平
echo "out" > direction
echo "1" > value

• active_low：这个属性文件用于控制极性，可读可写，默认情况下为 0，譬如：

# active_low 等于 0 时
echo "0" > active_low
echo "out" > direction
echo "1" > value #输出高
echo "0" > value #输出低
# active_low 等于 1 时
$ echo "1" > active_low
$ echo "out" > direction
$ echo "1" > value #输出低
$ echo "0" > value #输出高

由此看出，active_low 的作用已经非常明显了，对于输入模式来说也同样适用。

• edge：控制中断的触发模式，该文件可读可写。在配置 GPIO 引脚的中断触发模式之前，需将其设置为输入模式：

非中断引脚：echo "none" > edge
上升沿触发：echo "rising" > edge
下降沿触发：echo "falling" > edge
边沿触发：echo "both" > edge

当引脚被配置为中断后可以使用 poll()函数监听引脚的电平状态变化。

二、GPIO 应用编程之输出

上一小节已经向大家介绍了如何通过 sysfs 方式控制开发板上的 GPIO 引脚，本小节我们编写一个简单地测试程序，控制开发板上的某一个 GPIO 输出高、低不同的电平状态，其示例代码如下所示：

// 示例代码 16.2.1 控制 GPIO 输出高低电平
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
static char gpio_path[100];
static int gpio_config(const char *attr, const char *val)
{char file_path[100];int len;int fd;sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, attr);if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) {perror("open error");return fd;}len = strlen(val);if (len != write(fd, val, len)) {perror("write error");close(fd);return -1;}close(fd); //关闭文件return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{// /* 校验传参 if (3 != argc) {fprintf(stderr, "usage: %s <gpio> <value>\n", argv[0]);exit(-1);}// /* 判断指定编号的 GPIO 是否导出 sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]);if (access(gpio_path, F_OK)) {//如果目录不存在 则需要导出int fd;int len;if (0 > (fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY))) {perror("open error");exit(-1);}len = strlen(argv[1]);if (len != write(fd, argv[1], len)) {//导出 gpioperror("write error");close(fd);exit(-1);}close(fd); //关闭文件}// /* 配置为输出模式 if (gpio_config("direction", "out"))exit(-1);// /* 极性设置 if (gpio_config("active_low", "0"))exit(-1);// /* 控制 GPIO 输出高低电平 if (gpio_config("value", argv[2]))exit(-1);// /* 退出程序 exit(0);
}

执行程序时需要传入两个参数，argv[1]指定 GPIO 的编号、argv[2]指定输出电平状态（0 表示低电平、1 表示高电平）。
上述代码中首先使用 access()函数判断指定编号的 GPIO 引脚是否已经导出，也就是判断相应的 gpioX目录是否存在，如果不存在则表示未导出，则通过"/sys/class/gpio/export"文件将其导出；导出之后先配置了GPIO 引脚为输出模式，也就是向 direction 文件中写入"out"；接着再配置极性，通过向 active_low 文件中写入"0"（不用配置也可以）；最后再控制 GPIO 引脚输出相应的电平状态，通过对 value 属性文件写入"1"或"0"来使其输出高电平或低电平。
测试：编译的到的可执行文件拷贝到开发板 Linux 系统用户家目录下，执行该应用程序控制开发板上的 GPIO1_IO01 引脚输出高或低电平：

./gpio_out 1 1		#控制 GPIO1_IO01 输出高电平
./gpio_out 1 0		#控制 GPIO1_IO01 输出低电平

执行相应的命令后，可以使用万用表或者连接一个 LED 小灯进行检验，以验证实验结果！

三、GPIO 应用编程之输入

编写一个读取 GPIO 电平状态的测试程序

// 示例代码 16.3.1 读取 GPIO 电平状态
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
static char gpio_path[100];
static int gpio_config(const char *attr, const char *val)
{char file_path[100];int len;int fd;sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, attr);if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) {perror("open error");return fd;}len = strlen(val);if (len != write(fd, val, len)) {perror("write error");close(fd);return -1;}close(fd); //关闭文件return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{char file_path[100];char val;int fd;// /* 校验传参 if (2 != argc) {fprintf(stderr, "usage: %s <gpio>\n", argv[0]);exit(-1);}// /* 判断指定编号的 GPIO 是否导出 sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]);if (access(gpio_path, F_OK)) {//如果目录不存在 则需要导出int len;if (0 > (fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY))) {perror("open error");exit(-1);}len = strlen(argv[1]);if (len != write(fd, argv[1], len)) {//导出 gpioperror("write error");close(fd);exit(-1);}close(fd); //关闭文件}// /* 配置为输入模式 if (gpio_config("direction", "in"))exit(-1);// /* 极性设置 if (gpio_config("active_low", "0"))exit(-1);// /* 配置为非中断方式 if (gpio_config("edge", "none"))exit(-1);// /* 读取 GPIO 电平状态 sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, "value");if (0 > (fd = open(file_path, O_RDONLY))) {perror("open error");exit(-1);}if (0 > read(fd, &val, 1)) {perror("read error");close(fd);exit(-1);}printf("value: %c\n", val);// /* 退出程序 close(fd);exit(0);
}

执行程序时需要传入一个参数，argv[1]指定要读取电平状态的 GPIO 对应的编号。
上述代码中首先使用 access()函数判断指定编号的 GPIO 引脚是否已经导出，若未导出，则通过
“/sys/class/gpio/export"文件将其导出；导出之后先配置了 GPIO 引脚为输入模式，也就是向 direction 文件中写入"in”；接着再配置极性、设置 GPIO 引脚为非中断模式（向 edge 属性文件中写入"none"）。最后打开 value 属性文件，读取 GPIO 的电平状态并将其打印出来。

测试：编译的到的可执行文件拷贝到开发板 Linux 系统用户家目录下，执行该应用程序以读取 GPIO1_IO01 引脚此时的电平状态，是高电平还是低电平？
首先通过杜邦线将 GPIO1_IO01 引脚连接到板子上的 3.3V 电源引脚上，接着执行命令读取 GPIO 电平状态：

打印出的 value 等于 1，表示读取到 GPIO 的电平确实是高电平；接着将 GPIO1_IO01 引脚连接到板子上的 GND 引脚上，执行命令：

打印出的 value 等于 0，表示读取到 GPIO 的电平确实是低电平；测试结果与实际相符合！

四、GPIO 应用编程之中断

在应用层可以将 GPIO 配置为中断触发模式，譬如将 GPIO 配置为上升沿触发、下降沿触发或者边沿触发，本小节我们来编写一个测试程序，将 GPIO 配置为边沿触发模式并监测中断触发状态。其示例代码如下所示：

// 示例代码 16.4.1 监测 GPIO 中断触发
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>
static char gpio_path[100];
static int gpio_config(const char *attr, const char *val)
{char file_path[100];int len;int fd;sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, attr);if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) {perror("open error");return fd;}len = strlen(val);if (len != write(fd, val, len)) {perror("write error");return -1;}close(fd); //关闭文件return 0;
}
int main(int argc, char *argv[])
{struct pollfd pfd;char file_path[100];int ret;char val;/* 校验传参 */if (2 != argc) {fprintf(stderr, "usage: %s <gpio>\n", argv[0]);exit(-1);}/* 判断指定编号的 GPIO 是否导出 */sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]);if (access(gpio_path, F_OK)) {//如果目录不存在 则需要导出int len;int fd;if (0 > (fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY))) {perror("open error");exit(-1);}len = strlen(argv[1]);if (len != write(fd, argv[1], len)) {//导出 gpioperror("write error");exit(-1);}close(fd); //关闭文件}/* 配置为输入模式 */if (gpio_config("direction", "in"))exit(-1);/* 极性设置 */if (gpio_config("active_low", "0"))exit(-1);/* 配置中断触发方式: 上升沿和下降沿 */if (gpio_config("edge", "both"))exit(-1);/* 打开 value 属性文件 */sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, "value");if (0 > (pfd.fd = open(file_path, O_RDONLY))) {perror("open error");exit(-1);}/* 调用 poll */pfd.events = POLLPRI; //只关心高优先级数据可读（中断）read(pfd.fd, &val, 1);//先读取一次清除状态for ( ; ; ) {ret = poll(&pfd, 1, -1); //调用 pollif (0 > ret) {perror("poll error");exit(-1);}else if (0 == ret) {fprintf(stderr, "poll timeout.\n");continue;}/* 校验高优先级数据是否可读 */if(pfd.revents & POLLPRI) {if (0 > lseek(pfd.fd, 0, SEEK_SET)) {//将读位置移动到头部perror("lseek error");exit(-1);}if (0 > read(pfd.fd, &val, 1)) {perror("read error");exit(-1);}printf("GPIO 中断触发<value=%c>\n", val);}}/* 退出程序 */exit(0);
}

执行程序时需要传入一个参数，argv[1]指定要读取电平状态的 GPIO 对应的编号。
上述代码中首先使用 access()函数判断指定编号的 GPIO 引脚是否已经导出，若未导出，则通过
"/sys/class/gpio/export"文件将其导出。对 GPIO 进行配置：配置为输入模式、配置极性、将触发方式配置为边沿触发。
打开 value 属性文件，获取到文件描述符，接着使用 poll()函数对 value 的文件描述符进行监视，这里为什么要使用 poll()监视、而不是直接对文件描述符进行读取操作？这里简单的描述一下。poll()函数可以监视一个或多个文件描述符上的 I/O 状态变化，譬如 POLLIN、POLLOUT、POLLERR、POLLPRI 等，其中 POLLIN 和 POLLOUT 表示普通优先级数据可读、可写，而 POLLPRI 表示有高优先级数据可读取，中断就是一种高优先级事件，当中断触发时表示有高优先级数据可被读取。

测试：编译的到的可执行文件拷贝到开发板 Linux 系统用户家目录下，执行该应用程序可
以监测 GPIO 的中断触发。执行应用程序监测 GPIO1_IO01 引脚的中断触发情况，如下所示：

当执行命令之后，我们可以使用杜邦线将 GPIO1_IO01 引脚连接到 GND 或 3.3V 电源引脚上，来回切换，使得 GPIO1_IO01 引脚的电平状态发生由高到低或由低到高的状态变化，以验证 GPIO 中断的边沿触发情况；当发生中断时，终端将会打印相应的信息，如上图所示。