Linux应用开发【第九章】GPIO编程应用开发

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《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。

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。

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