Linux-GPIO应用编程

本章介绍应用层如何控制 GPIO，譬如控制 GPIO 输出高电平、或输出低电平。 只要是用到GPIO的外设，都有可能用得到这些操作方法。

照理说，GPIO的操作应该是由驱动层去做的，使用寄存器操作或者GPIO子系统之类的框架。

但是，应用层直接操作GPIO是为啥？

在听韦东山老师的驱动大全课程时，听他提到过一个“应用层驱动”的说法，也就是直接在应用层操作底层硬件，从而可以将驱动层要做的一些事情，放到应用层来做，这样方便应用层直接调试硬件。不知道这个说法有没有什么用，所以先了解下即可。

使用sys操作硬件和使用设备驱动方式操作硬件有什么区别？

Linux中应用层操作硬件的方式主要有通过sysfs文件系统和设备驱动两种方式。以下是具体分析：

通过sysfs文件系统

1. 概念：sysfs（System Filesystem）是Linux内核中的一个虚拟文件系统，提供了一种与设备进行交互的接口。

2. 特点：sysfs允许用户空间程序通过读取和写入/sys目录下的文件来访问设备信息和修改设备设置。这种方式不需要编写驱动程序，但功能有限，主要用于查看设备状态和配置信息。

3. 优点：使用简单，无需编写复杂的驱动程序代码；适合快速开发和测试。

4. 缺点：功能受限，不能直接控制硬件；性能较低，不适合高频操作。

通过设备驱动

1. 概念：设备驱动是操作系统与硬件设备之间的接口和管理器，负责与硬件设备进行通信并提供操作系统与硬件设备之间的接口。

2. 特点：设备驱动将硬件的复杂操作抽象为操作系统的标准接口，简化了用户对硬件的操作；负责管理硬件资源，如内存、I/O端口、硬件缓冲区等。

3. 优点：功能强大，能够直接控制硬件；性能高，适合需要高频操作的场景。

4. 缺点：开发难度较大，需要深入了解硬件和操作系统内核；维护成本高，需要随着硬件和操作系统的更新而不断更新驱动程序。

综上所述，通过sysfs文件系统操作硬件和使用设备驱动方式操作硬件各有优缺点。sysfs方式操作简单但功能有限，适合快速开发和测试；而设备驱动方式功能强大但开发难度大，适合需要高性能和直接控制硬件的场景。

本章将会讨论如下主题内容。

⚫ 应用层 GPIO 编程介绍；

⚫ GPIO 输出测试；

⚫ GPIO 输入测试；

⚫ GPIO 中断测试；

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：

可以看到该目录下包含两个文件 export、unexport 以及 5 个 gpiochipX（X 等于 0、32、64、96、128）命名的文件夹。

⚫ 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。

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 16.1.7 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，稍后再给大家介绍。

⚫ 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！

以上就给大家介绍了/sys/class/gpio 目录下的所有文件和文件夹，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，在后面的示例中将向大家介绍。

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：

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。

使用交叉编译工具编译应用程序，如下所示：

GPIO 应用编程之输入

本小节我们编写一个读取 GPIO 电平状态的测试程序，其示例代码如下所示：

本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C 应用编程例程源码->16_gpio->gpio_in.c。

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。

使用交叉编译工具编译应用程序，如下所示：

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：

本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C 应用编程例程源码->16_gpio->gpio_intr.c。

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。

13.2.3 小节给大家详细介绍了 poll()函数，这里不再重述！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。当然，除此之外还可使用 13.4 小节所介绍的异步 I/O 方式来监视GPIO 中断触发。

使用交叉编译工具编译应用程序，如下所示：

在开发板上测试

前面我们编写了 3 个测试程序，并编译得到了对应的可执行文件，本小节一个一个进行测试。在测试之前，选择一个测试引脚，这里笔者以板子上的 GPIO1_IO01 引脚为例，该引脚在底板上已经引出，如下所示：

Mini 开发板可以通过背面丝印标注的名称或原理图进行确认。

GPIO 输出测试

将示例代码 16.2.1 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：

./testApp 1 1 #控制 GPIO1_IO01 输出高电平

./testApp 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！

GPIO 输入测试

将示例代码 16.3.1 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！

GPIO 中断测试

将示例代码 16.4.1 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：

./testApp 1 //监测 GPIO1_IO01 引脚中断触发

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。

Tips：测试完成后按 Ctrl+C 退出程序！