GPIO是General Purpose I/O的缩写,即通用输入输出端口,简单来说就是MCU/CPU可控制的引脚,这些引脚通常有多种功能,最基本的是高低电平输入检测和输出,部分引脚还会与主控器的片上外设绑定,如作为串口、I2C、网络、电压检测的通讯引脚。
与LED子系统类似,Linux提供了GPIO子系统驱动框架,使用该驱动框架可以把CPU的GPIO引脚导出到用户空间,用户通过访问/sys文件系统进行控制,GPIO子系统支持把引脚用于基本的输入输出功能,其中输入功能还支持中断检测。在Linux内核源码的“Documentation/gpio”目录可找 到关于GPIO子系统的说明。
通过GPIO子系统可以控制LED、蜂鸣器以及按键检测这类硬件设备,不过由于本开发板出厂的默认镜像中,LED灯使用了LED子系统驱动控制,按键使用了input输入子系统驱动控制,不方便在用户空间使用GPIO的方式进行实验,而蜂鸣器在驱动层中我们是使用GPIO子系统的,本章选择蜂鸣器作为示例讲解。
在Mini开发板上没有蜂鸣器,实验时可使用电压表检测对应引脚的电平输出。
GPIO驱动子系统导出到用户空间的目录是/sys/class/gpio
。
可使用如下命令查看:
#在主机或开发板的终端使用以下命令查看
ls -lh /sys/class/gpio
#以下命令不支持在Ubuntu主机上运行
#导出GPIO到用户空间
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#查看目录的变化,增加了gpio19目录
ls /sys/class/gpio/
#把gpio19从用户空间中取消导出
echo 19 > /sys/class/gpio/unexport
#查看目录变化,gpio19目录消失了
ls /sys/class/gpio/
如下图:
该目录下的主要内容说明如下:
export文件:导出GPIO,该文件只能写不能读,用户向该文件写 入GPIO的编号N可以向内核申请将该编号的GPIO导出到用户空间,若内核本 身没有把该GPIO用于其它功能,那么在/sys/class/gpio目录下会新增一 个对应编号的gpioN目录,如上图一导出了gpio19。
unexport文件:export的相反操作,取消导出GPIO,该文件同样只能 写不能读。上图演示了往unexport写入19后,gpio19目录消失了。
gpiochipX目录:该目录是指GPIO控制器外设,Ubuntu主机上默认没有这样的功能。
gpioN目录:通过export导出的具体GPIO引脚的控制目录,如上图中的gpio19目录下会包含有 控制该引脚的相应文件
gpioN目录下相关的设备文件,可以使用以下命令查看:
#在开发板的终端使用以下命令
#导出编号为19的GPIO
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#查看gpio19目录下的内容
ls -lh /sys/class/gpio/gpio19
如下图:
常用的属性文件介绍如下:
in:引脚为输入模式。
out:引脚为输出模式,且默认输出电平为低。
low:引脚为输出模式,且默认输出电平为低。
high:引脚为输出模式,且默认输出电平为高。
表示GPIO的电平,1表示高电平,0表示低电平。GPIO被配置为输出 模式, 那么修改该文件的内容可以改变引脚的电平。
none:没有使用中断模式。
rising:表示引脚为中断输入模式,上升沿触发。
falling:表示引脚为中断输入模式,下降沿触发。
both:表示引脚为中断输入模式,边沿触发
与LED子系统不同,当某个引脚被用于具体的LED设备时,该引脚会被设备占用,它的 功能在用户空间是无法再被修改的,而使用GPIO子系统的设备则可以在用户空间灵活配置作为输入、输出或中断模式。
只要我们知道蜂鸣器的GPIO引脚编号,就可以就可以通过它导出的direction、value文件 控制引脚输出高低电平,从而控制它发声了。当然,如果硬件上临时把该引脚修改为按键 高低电平检测,此时也可以通过这些文件把引脚改为输入模式使用,而不需要修改Linux内核驱动
与LED驱动设备不一样,LED已经在内核驱动(设备树)绑定了具体引脚的端 口号,最终直接以设备名字导出到用户空间,所以控制时只要通过设备文件即可 控制,而不需要知道具体的硬件连接。使用GPIO子系统时,需要用户自主控制导出 使用哪个引脚,所以我们要根据蜂鸣器的硬件连接来进行实验。
如下图:
从上图可了解到,蜂鸣器的控制引脚名为“GPIO1_19”,该引脚输出高电平时,三极 管导通,蜂鸣器响,引脚输出低电平时,电路断开,蜂鸣器不响。
i.MX6ULL芯片GPIO引脚名格式通常为GPIOn_IOx,如此处的GPIO1_19或GPIO4_IO20等等,其 中n是端口号,x为该组端口的引脚号,本开发板采用的芯片有15组端口,每组端口包含的引脚从031不等。 本开发板中export文件使用的编号index与GPIO引脚名的转换关系如下:
index = GPIOn_IOx = (n-1)*32 + x
例如蜂鸣器使用的引脚编号为:index = GPIO1_19 = (1-1)*32 +19 = 19
。
又例如GPIO4_IO20的编号为:index = GPIO4_IO20 = (4-1)*32+20=116
。
要注意并不是所有的引脚都能通过export文件导出到用户空间的,例 如GPIO4_IO20引脚已经被用在了LED设备上
。
下面使用命令行控制蜂鸣器,讲解GPIO子系统设备属性的应用。
由于在Ubuntu主机通常无法导出GPIO,请在开发板上执行以下命令测试,测试前需确保当前用户为root用户:
#以下命令在开发板上执行
#导出蜂鸣器使用的GPIO到用户空间
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#确认出现了gpio19设备目录
ls /sys/class/gpio/
#控制gpio19方向为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio19/direction
#控制gpio19输出高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio19/value
#控制gpio19输出低电平
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio19/value
如下图:
命令执行的原理非常简单:
把蜂鸣器的编号写入到export文件,导出GPIO设备。
修改蜂鸣器设备属性direction文件值为out,把GPIO设置为输出方向。
修改蜂鸣器设备属性文件value的值为1或0,控制蜂鸣器响或不响。
类似地,也可以通过系统调用的文件操作方式控制蜂鸣器。
工程中的beep_bsp.c文件包含了控制蜂鸣器相关的函数,见如下所示。
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
//arm-linux-gnueabihf-gcc
#define OFF "1"
#define ON "0"
#define OUT "out"
#define GPIO "19"
int beep_init(void)
{
int fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);
if (fd < 0)
return 1;
write(fd, GPIO, strlen(GPIO)); //产生GPIO1_19文件
close(fd);
fd = open("/sys/class/gpio/gpio" GPIO "/direction", O_WRONLY);
if (fd < 0)
return 2;
write(fd, OUT, strlen(OUT)); //设置为输出模式,默认低电平
close(fd);
return 0;
}
int beep_on()
{
int fd = open("/sys/class/gpio/gpio" GPIO "/value", O_WRONLY);
if (fd < 0)
return 1;
write(fd, OFF, strlen(OFF));
close(fd);
return 0;
}
int beep_off()
{
int fd = open("/sys/class/gpio/gpio" GPIO "/value", O_WRONLY);
if (fd < 0)
return 1;
write(fd, ON, strlen(ON));
close(fd);
return 0;
}
int beep_deinit(void)
{
int fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY);
if (fd < 0)
return 1;
write(fd, GPIO, strlen(GPIO)); //销毁GPIO1_19文件
close(fd);
return 0;
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
char buf[10];
int res;
printf("This is the beep demo\n");
res = beep_init();
if (res)
{
printf("beep init error,code = %d", res);
return 0;
}
while (1)
{
printf("Please input the value : 0--off 1--on q--exit\n");
scanf("%10s", buf);
switch (buf[0])
{
case '0':
beep_off();
break;
case '1':
beep_on();
break;
case 'q':
beep_deinit();
printf("Exit\n");
return 0;
default:
break;
}
}
beep_deinit();
return 0;
}
编译后生成的ARM平台程序为build_arm/beep_demo,使用网络文件系统共 享至开发板,在开发板的终端上运行该程序测试即可。
如下图:
程序执行后会提示输入,在终端输入1并回车后蜂鸣器会响,输入0并回车后蜂鸣器不响。