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9 GPIO編程應(yīng)用開發(fā)

9.1 GPIO編程基礎(chǔ)介紹

? GPIO(General-Purpose IO Ports)，即通用IO接口。GPIO的使用較為簡單，主要分為輸入和輸出兩種功能。GPIO主要用于實(shí)現(xiàn)一些簡單設(shè)備的控制。在作為輸入型GPIO的情況下，我們可以將該IO連接外部按鍵或者傳感器，用于檢測外部狀態(tài)。當(dāng)作為輸出時，我們可以通過輸出高低電平來控制外部設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

? 由于GPIO的功能多種多樣，我們需要首先將引腳設(shè)置為GPIO。設(shè)置為GPIO之后，我們需要設(shè)置GPIO的方向。當(dāng)設(shè)置為輸出時，我們可以控制輸出高電平或者低電平。當(dāng)設(shè)置為輸入時，我們可以讀取GPIO的電平來判斷外部輸入電平的高低。

9.2 GPIO編程軟件接口

? GPIO編程有多種實(shí)現(xiàn)方式，在這里，我們通過sysfs方式來實(shí)現(xiàn)GPIO的控制實(shí)現(xiàn)。

? 如果要通過sysfs方式控制gpio，首先需要底層內(nèi)核的支持。為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)核對sysfs gpio的支持，我們需要在內(nèi)核中進(jìn)行設(shè)置。在編譯內(nèi)核的時候，加入 Device Drivers-> GPIO Support ->/sys/class/gpio/… (sysfs interface)。作為GPIO的引腳，不允許在內(nèi)核中被用作其他用途。

? 在系統(tǒng)正常運(yùn)行之后，我們可以在/sys/class/gpio下看到sysfs控制相關(guān)的接口。有三種類型的接口， 分別是控制接口，GPIO信號和GPIO控制器三種接口。這部分的具體介紹可參考《kernelDocumentationgpiosysfs.txt》。

9.2.1 控制接口

? 控制接口用于實(shí)現(xiàn)在用戶空間對GPIO的控制，主要包括/sys/class/gpio/export和/sys/class/gpio/unexport兩個接口。這這兩個控制接口都是只寫的，/sys/class/gpio/export實(shí)現(xiàn)將GPIO控制從內(nèi)核空間導(dǎo)出到用戶空間，/sys/class/gpio/unexport用于實(shí)現(xiàn)取消GPIO控制從內(nèi)核空間到用戶空間的導(dǎo)出。

? 下面以引腳編號為19的GPIO為例進(jìn)行說明，在/sys/class/gpio/目錄下，我們執(zhí)行"echo 19 > export"之后，將會產(chǎn)生一個”gpio19”節(jié)點(diǎn)來控制引腳編號為19的GPIO。我們執(zhí)行"echo 19 > unexport"之后，將會刪除之前通過export產(chǎn)生的”gpio19”節(jié)點(diǎn)。為了使用gpio，我們需要首先使用/sys/class/gpio/export導(dǎo)出gpio引腳編號。完成使用之后，通過/sys/class/gpio/unexport刪除掉之前導(dǎo)出的gpio引腳。

9.2.2 GPIO信號

? GPIO信號，即為GPIO本身，其路徑為/sys/class/gpio/gpioN/,擁有多個屬性。通過對這些屬性進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)對GPIO的控制。

• “direction”屬性，讀取的值為”in”或者”out”。通過對該屬性寫入”in”或者”out”可以設(shè)置該GPIO為輸入或者輸出。如果直接寫入”out”，則會使GPIO直接輸出低電平。也可以通過寫入”low”或者”high”來直接設(shè)置輸出低電平或者高電平。

• ”value”屬性，用于讀取輸入電平或者控制輸出電平。如果GPIO為輸出，則對value寫入0為輸出低電平，寫入非0為輸出高電平。如果設(shè)置為輸入的話，則讀到0表示輸入為低電平，1為高電平。

• ”edge”屬性，用于設(shè)置觸發(fā)電平，只有在GPIO可以設(shè)置為中斷輸入引腳時才會出現(xiàn)該屬性。

9.2.3 GPIO控制器

? GPIO控制器，用于表示GPIO 控制實(shí)現(xiàn)的初始GPIO，其路徑為/sys/class/gpio/gpiochipN/。比如/sys/class/gpio/gpiochip42/ 則表示實(shí)現(xiàn)GPIO控制器的初始化編號為42。GPIO控制器的屬性為只讀屬性，包括base、label和ngpio等多個。

• ”base”屬性，和gpiochipN的N代表的含義相同，表示被該組GPIO控制器實(shí)現(xiàn)的第一個GPIO.

• ” ngpio”屬性，用于表示該控制器支持多少個GPIO，支持的GPIO編號為從N到N+ngpio-1

• ” label”屬性，用于判斷控制器，并不總是唯一的

9.3 IMX6ULL開發(fā)板GPIO編號的確定

? 每個芯片可以有N組GPIO，每組GPIO最多有32個GPIO，即最多有N*32個GPIO。但是在實(shí)際設(shè)計中，每組的GPIO數(shù)量各有不同。在IMX6ULL中，實(shí)際每組擁有的GPIO數(shù)量如下圖所示，具體詳見《IMX6ULLRM.pdf》手冊1347頁。

? 從上圖可以看到，在IMX6ULL中，共有5組GPIO，起始GPIO組為GPIO1。因此在實(shí)際GPIO編號計算中，第一組GPIO1對應(yīng)的編號為0~31。以此類推，IMX6ULL的GPION_X（N=1~5，X=0~31對應(yīng)的編號實(shí)際為（N-1）*32+X。接下來，我們以板載的LED和按鍵各自對應(yīng)的GPIO為例來說明如何在實(shí)際應(yīng)用中計算GPIO編號。

9.3.1 LED的GPIO編號計算

? 從原理圖中找到對應(yīng)LED的設(shè)計，具體的連接如下圖所示。從圖中我們可以看到，LED連接到的GPIO為GPIO5_3，其對應(yīng)的GPIO編號實(shí)際為（5-1）*32+3 = 131。因此，我們?nèi)绻趕ys_gpio中操作LED，我們就需要將編號131的GPIO進(jìn)行導(dǎo)出。

9.3.2 按鍵的GPIO編號計算

? 從原理圖中找到對應(yīng)按鍵的設(shè)計，底板有2個按鍵，具體的連接如下圖所示。從圖中我們可以看到，兩個按鍵連接到的GPIO分別為GPIO5_1和GPIO4_14，第一個按鍵KEY1對應(yīng)的GPIO編號為（5-1） 32+1 = 129，第二個按鍵KEY2對應(yīng)的GPIO編號為（4-1） 32+14=110。因此，我們?nèi)绻趕ys_gpio中讀取按鍵KEY1和KEY2的值，，我們就需要將編號129和110的GPIO進(jìn)行導(dǎo)出。

9.3.3 特殊情況下的GPIO編號計算

? 在有些情況下，起始的gpiochipN不是gpiochip0。這個時候 ，我們就需要在原有的GPIO編號基礎(chǔ)上加上起始gpiochipN值進(jìn)行計算。下圖所示的為其實(shí)gpiochip為gpiochip0的情況。

9.4 實(shí)際編程操作

? 在實(shí)際操作中，我們使用LED和按鍵實(shí)現(xiàn)了GPIO輸出和輸入的實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過程和相關(guān)代碼如下。

9.4.1 導(dǎo)出GPIO口

? 為了導(dǎo)出GPIO口，我們需要向/sys/class/gpio/export寫入需要導(dǎo)出的引腳編號。在使用之后，我們也可以使用/sys/class/gpio/unexport取消導(dǎo)出引腳編號。

? 導(dǎo)出引腳編號的實(shí)現(xiàn)代碼如下所示，具體詳見《sysfs_gpio_1_export_gpio sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_export()函數(shù)。

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);//打開文件
38     if (fd < 0) {
39         perror("gpio/export");
40         return fd;
41     }
42  
43     len = snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", gpio);//從數(shù)字變換為字符串，即1 變?yōu)椤?“
44     write(fd, buf, len);//將需要導(dǎo)出的GPIO引腳編號進(jìn)行寫入
45     close(fd);//關(guān)閉文件
46  
47     return 0;
48 }

? 取消導(dǎo)出引腳編號的實(shí)現(xiàn)代碼如下所示，具體詳見《sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_unexport()函數(shù)。

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);//打開文件
65     if (fd < 0) {
66         perror("gpio/export");
67         return fd;
68     }
69  
70     len = snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", gpio);//從數(shù)字變換為字符串，即1 變?yōu)椤?“
71     write(fd, buf, len);//將需要取消導(dǎo)出的GPIO引腳編號進(jìn)行寫入
72     close(fd);//關(guān)閉文件
73     return 0;
74 }

? 在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出和取消導(dǎo)出引腳編號的函數(shù)之后，我們來實(shí)現(xiàn)具體的引腳編號的導(dǎo)出。LED和按鍵各自對應(yīng)的引腳編號如下所示

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

? 在確定了各自對應(yīng)的引腳編號，我們就可以進(jìn)行導(dǎo)出了。具體實(shí)現(xiàn)代碼在程序文件《sysfs_gpio_1_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函數(shù)，下為對應(yīng)代碼部分，我們將LED和按鍵對應(yīng)的引腳都進(jìn)行了導(dǎo)出。

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187     printf("	********************************************
");
188     printf("	********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************
");
189     printf("	******** version date: 2020/05    **********
");
190     printf("	********************************************
");    
191 
192     printf("gpio begin to export gpio
");
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
");
197 
198 
199     return 0;
200 }

? 在將代碼編譯之后，我們將代碼在板卡上進(jìn)行運(yùn)行。代碼運(yùn)行之后的的結(jié)果如下圖所示，可以看到成功的將GPIO110、GPIO129和GPIO131進(jìn)行了導(dǎo)出。

9.4.2 設(shè)置GPIO方向

? 為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出的引腳的方向設(shè)置，我們需要對/sys/class/gpio/gpioN/direction寫入不同的值。寫入“in”則表示設(shè)置為輸入，寫入“out”則表示設(shè)置為輸出。設(shè)置引腳編號的的實(shí)現(xiàn)代碼如下所示，具體詳見《sysfs_gpio_2_export_gpio sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_set_dir ()函數(shù)。

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);//打開文件
94     if (fd < 0) {
95         perror(buf);
96         return fd;
97     }
98  
99     if (out_flag)//為1，則寫入“out"，即設(shè)置為輸出
100         write(fd, "out", 4);
101     else//為0，則寫入“in"，即設(shè)置為輸入
102         write(fd, "in", 3);
103  
104     close(fd);//關(guān)閉文件
105     return 0;
106 }

? 在實(shí)現(xiàn)引腳方向的設(shè)置函數(shù)之后，我們分別針對按鍵和LED設(shè)置各自不同的方向。將按鍵設(shè)置為輸入“IN”,將LED設(shè)置為輸出“out”，對應(yīng)的代碼如下圖所示。相關(guān)的代碼在程序文件《sysfs_gpio_2_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函數(shù)，下為對應(yīng)代碼部分。

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187     printf("	********************************************
");
188     printf("	********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************
");
189     printf("	******** version date: 2020/05    **********
");
190     printf("	********************************************
");    
191         
192     printf("begin to export gpio and direction
");
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
");
201 
202 
203 
204     return 0;
205 }

? 在將代碼編譯之后，我們將代碼在板卡上進(jìn)行運(yùn)行。代碼運(yùn)行之后的的結(jié)果如下圖所示，我們可以看到按鍵GPIO110和GPIO129的方向設(shè)置成了輸入，LED2的GPIO131設(shè)置成了輸入。

9.4.3 GPIO輸出實(shí)驗(yàn)-LED輸出控制

? 為了設(shè)置引腳的輸出電平高低，我們需要對/sys/class/gpio/gpioN/value寫入不同的值。寫入‘1’則表示輸出高電平，寫入‘0’則表示輸出低電平。設(shè)置引腳輸出高低電平的的實(shí)現(xiàn)代碼如下所示，具體詳見《sysfs_gpio_3_export_gpio sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_set_value ()函數(shù)。

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);//打開文件
127     if (fd < 0) {
128         perror(buf);
129         return fd;
130     }
131  
132     if (value)//為1，則寫入“1"，即設(shè)置為輸出高電平
133         write(fd, "1", 2);
134     else//為0，則寫入“0"，即設(shè)置為輸出低電平
135         write(fd, "0", 2);
136  
137     close(fd);//關(guān)閉文件
138     return 0;
139 }

? 在實(shí)現(xiàn)引腳輸出電平的控制函數(shù)之后，我們來實(shí)現(xiàn)LED的控制。我們通過將“1”或“0”寫入value來控制GPIO輸出高電平或者低電平，具體相關(guān)的代碼在程序文件《sysfs_gpio_3_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函數(shù)，下為對應(yīng)代碼部分。

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187     printf("	********************************************
");
188     printf("	********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************
");
189     printf("	******** version date: 2020/05    **********
");
190     printf("	********************************************
");    
191         
192     printf("led begin to init
");
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
");
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
");
206         usleep(500000); //delay 
207         sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 0);//output low 
208         printf("led on
");
209         usleep(500000);//delay
210     }
211     
212     sysfs_gpio_unexport(GPIO_LED);//unexport gpio led
213 
214     return 0;
215 }

? 在將代碼編譯之后，我們將代碼在板卡上進(jìn)行運(yùn)行。代碼運(yùn)行之后的的結(jié)果如下圖所示， 可以看到規(guī)律性的打印LED控制信息（實(shí)物可以看到LED燈閃爍）。

9.4.4 GPIO輸入試驗(yàn)-按鍵值讀取

? 為了讀取引腳輸入的電平高低，我們需要讀取/sys/class/gpio/gpioN/value的值。讀到的是‘1’則表輸入為高電平，讀到的是‘0’則表示輸入為低電平。讀取引腳輸入電平的、的的實(shí)現(xiàn)代碼如下所示，具體詳見《sysfs_gpio_4_export_gpio sysfs_gpio_export.c》的sysfs_gpio_get_value ()函數(shù)。

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);//打開文件
161     if (fd < 0) {
162         perror("gpio/get-value");
163         return fd;
164     }
165  
166     read(fd, &ch, 1);//讀取外部輸入電平
167 
168     if (ch != '0') {//為'1'，則設(shè)置為1，即輸入為高電平
169         *value = 1;
170     } else {//為'0'，則設(shè)置為0，即輸入為低電平
171         *value = 0;
172     }
173  
174     close(fd);//關(guān)閉文件
175     return 0;
176 }

? 在實(shí)現(xiàn)引腳電平讀取函數(shù)之后，我們來實(shí)現(xiàn)外部按鍵值得讀取，我們通過讀取value的值來讀取按鍵值，具體相關(guān)的代碼在程序文件《sysfs_gpio_4_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函數(shù)，下為對應(yīng)代碼部分。

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187     printf("	********************************************
");
188     printf("	********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************
");
189     printf("	******** version date: 2020/05    **********
");
190     printf("	********************************************
");    
191         
192     printf("key begin to init
");
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
");
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 

",value1);
208         if(value1==0)//key1 pressed
209         {
210             printf("@@key1 is pressed 0

");          
211         }
212         sysfs_gpio_get_value(GPIO_KEY2, &value2);//read key2 value  
213         //printf("##key2 value 1is %d 

",value2);
214         if(value2==0)//key2 pressed
215         {
216             printf("##key2 is pressed 0

");          
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 }

? 在將代碼編譯之后，我們將代碼在板卡上進(jìn)行運(yùn)行。代碼運(yùn)行之后的的結(jié)果如下圖所示，我們可以看到在按鍵KEY1和KEY2按下之后打印的值各有不同。

9.4.5 LED和按鍵控制實(shí)驗(yàn)

? 在前幾個實(shí)驗(yàn)中，我們分別實(shí)現(xiàn)了LED和按鍵各自的控制。在這個實(shí)驗(yàn)中，我們將前幾個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，控制LED得閃爍，并讀取按鍵得值。當(dāng)按鍵按下時，打印相關(guān)信息。具體相關(guān)的代碼在程序文件《sysfs_gpio_5_export_gpio/sysfs_gpio_export.c》中main函數(shù)，下為對應(yīng)代碼部分

183 int main(int argc, char **argv) {
184     unsigned int i;
185     unsigned int value1,value2;
186    
187     printf("	********************************************
");
188     printf("	********  SYSFS_GPIO_TEST_DEMO**************
");
189     printf("	******** version date: 2020/05    **********
");
190     printf("	********************************************
");    
191         
192     printf("led&key begin to init
");
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
");
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 

",value1);
208         if(value1==0)//key1 pressed
209         {
210             printf("@@key1 is pressed 0

");          
211         }
212         sysfs_gpio_get_value(GPIO_KEY2, &value2);//read key2 value  
213         //printf("##key2 value 1is %d 

",value2);
214         if(value2==0)//key2 pressed
215         {
216             printf("##key2 is pressed 0

");          
217         }
218         //led flash 
219         sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 1);
220         printf("LED OFF

");      
221         usleep(500000);
222         sysfs_gpio_set_value(GPIO_LED, 0);
223         printf("LED ON

");       
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 }

? 在將代碼編譯之后，我們將代碼在板卡上進(jìn)行運(yùn)行。代碼運(yùn)行之后的的結(jié)果如下圖所示，可以看到LED閃爍，按鍵KEY1和KEY2按下之后打印的值各有不同（因?yàn)長ED的閃爍導(dǎo)致按鍵需要經(jīng)過一次LED閃爍之后才能讀取，因此按鍵必須一直按著才能讀取到值的變化）。