2nd_gpio编程

2. GPIO 硬件编程
    相比于 Linux 2.4， 2.6 及以上的内核可以使用系统中的 GPIOLIB 模块在用户空间提供
    的 sysfs 接口，实现应用层对 GPIO 的独立控制。
    
2.1 GPIO 和 sysfs 操作接口
    Linux开发平台实现了通用 GPIO的驱动，用户通过 Shell命令或系统调用即能控制 GPIO
    的输出和读取其输入值。其属性文件均在/sys/class/gpio 目录下，如：
    root@EasyARM-iMX283 /# ls /sys/class/gpio/
    export       gpiochip128  gpiochip64   unexport
    gpiochip0    gpiochip32   gpiochip96

    属性文件有 export 和 unexport。其余五个文件为符号链接（ gpiochip0， gpiochip32，
    gpiochip64， gpiochip96， gpiochip128），指向管理对应设备的目录，以 gpiochip0 为例，
    此目录下文件有：
    root@EasyARM-iMX283 /# ls /sys/class/gpio/gpiochip0
    base       label      ngpio      power      subsystem  uevent
    
    以上文件用途如表 2.1 所示。
    表 2.1 gpio 目录下默认属性文件用途
    
    文件名         路径                                     作用
    ---------------------------------------------------------------
    export         /sys/class/gpio/export                     导出 GPIO
    unexport     /sys/class/gpio/unexport                 将导出的 GPIO 从 sysfs 中清除
    gpiochipN
                /sys/class/gpio/gpiochipN/base             设备所管理的 GPIO 初始编号
                /sys/class/gpio/gpiochipN/label         设备信息
                /sys/class/gpio/gpiochipN/ngpio         设备所管理的 GPIO 总数
                /sys/class/gpio/gpiochipN/power         设备供电方面的相关信息
                /sys/class/gpio/gpiochipN/subsystem     符号链接，指向父目录
                /sys/class/gpio/gpiochipN/uevent         内核与 udev(自动设备发现程序)之间的通信接口
    
    向 export 文件写入需要操作的 GPIO 排列序号 N，就可以导出对应的 GPIO 设备目录。
    操作命令如下：
    # echo N > /sys/class/gpio/export
    
    例如，导出序号为 68 的 GPIO 的操作接口，在 Shell 下，可以用如下命令：
    # echo 68 > /sys/class/gpio/export
    
    通过以上操作后在/sys/class/gpio 目录下生成 gpioN 目录， 通过读写该目录下的属性文
    件就可以操作这个 GPIO 的输入和输出。以此类推可以导出其它 GPIO 设备目录。如果 GPIO
    已经被系统占用，导出时候会提示资源占用。
    以排列序号为 68 的 GPIO 为例， 设备目录下有如下属性文件：
    #ls /sys/class/gpio/gpio68/
    active_low edge subsystem value direction power uevent
    
    各个文件用途如表 2.2 所示。
    表 2.2 GPIO 属性文件用途
    
    文件名             路径                                 作用
    -----------------------------------------------------------------------------------------------
    active_low         /sys/class/gpio/gpioN/active_low    具有读写属性。用于决定 value 中的值是否翻转。
                                                        0 不翻    转， 1 翻转。
    edge             /sys/class/gpio/gpioN/edge             具有读写属性。设置 GPIO 中断，或检测中断是否发生。
    subsystem         /sys/class/gpio/gpioN/subsystem     符号链接，指向父目录。
    value             /sys/class/gpio/gpioN/value         具有读写属性。 GPIO 的电平状态设置或读取。
    direction         /sys/class/gpio/gpioN/direction     具有读写属性。用于查看或设置 GPIO 输入输出
    power             /sys/class/gpio/gpioN/power         设备供电方面的相关信息
    uevent             /sys/class/gpio/gpioN/uevent         内核与 udev(自动设备发现程序)之间的通信接口
    
2.2 GPIO 基本操作
    在应用层我们可以通过 Shell 命令操作 GPIO。通过以下步骤，就可以控制 GPIO 输入输
    出。 下面步骤是以 GPIO 的输入输出功能进行介绍。
    
    1. 输入输出设置
        GPIO 导出后默认为输入功能。向 direction 文件写入“ in”字符串，表示设置为输入功能；
        向 direction 文件写入“ out”字符串，表示设置为输出功能。读 direction 文件，会返回
        in/out 字符串， in 表示当前 GPIO 作为输入， out 表示当前 GPIO 作为输出。
        方向查看和设置命令如下：
        # cat /sys/class/gpio/gpioN/direction                 #查看方向
        # echo out > /sys/class/gpio/gpioN/direction         #设置为输出
        # echo in > /sys/class/gpio/gpioN/direction         #设置为输入
        例如， 查看排列序号为 68 的 GPIO 的方向， 在 Shell 下， 可以用如下命令：
        # cat /sys/class/gpio/gpio68/direction
    
    2. 输入读取
        当 GPIO 被设为输入时， value 文件记录 GPIO 引脚的输入电平状态：
            1 表示输入的是高电平；
            0 表示输入的是低电平。
        通过查看 value 文件可以读取 GPIO 的电平，查看命令如下：
        # echo in > /sys/class/gpio/gpioN/direction     #设置 GPIO 排列序号为 N 的 GPIO 方向为输入
        # cat /sys/class/gpio/gpioN/value                 #查看 GPIO 排列序号为 N 的 GPIO 电平
        
        例如， 查看排列序号为 68 的 GPIO 的电平状态， 在 Shell 下， 可以用如下命令：
        # echo in > /sys/class/gpio/gpio68/direction
        # cat /sys/class/gpio/gpio68/value
    
    3. 输出控制
        当 GPIO 被设为输出时，通过向 value 文件写入 0 或 1（ 0 表示输出低电平； 1 表示输出
        高电平）可以设置输出电平的状态，输出命名如下：
        # echo out > /sys/class/gpio/gpioN/direction     #设置 GPIO 排列序号为 N 的 GPIO 方向为输出
        # echo 0 > /sys/class/gpio/gpioN/value             #输出低电平
        # echo 1 > /sys/class/gpio/gpioN/value             #输出高电平
        
        例如， 设置排列序号为 68 的 GPIO 的电平为高电平， 在 Shell 下， 可以用如下命令：
        # echo out > /sys/class/gpio/gpio68/direction
        # echo 0 > /sys/class/gpio/gpio68/value
        
2.3 在 C 程序中操作 GPIO
    使用系统调用实现 GPIO 输入输出操作时， 首先需要使用 export 属性文件导出 GPIO，
    #define EXPORT_PATH "/sys/class/gpio/export" //GPIO 设备导出设备
    #define GPIO "68" //GPIO2_4
    int fd_export = open(EXPORT_PATH, O_RDWR); //打开 GPIO 设备导出设备
    ...
    write(fd_export, GPIO, strlen(GPIO)); //向 export 文件写入 GPIO 排列序号字符串
    
    可以调用 write 函数向 direction 设备写入方向 in/out 字符串，将 GPIO 设置为输入（输出）， 如：
    #define DIRECT_PATH "/sys/class/gpio/gpio68/direction" //GPIO 输入输出控制设备
    int fd_dir, ret ;
    fd_dir = open(DIRECT_PATH, O_RDWR); //打开 GPIO 输入输出控制设备
    ...
    ret = write(fd_dir, direction, sizeof(direction)); //写入 GPIO 输入（ in）输出（ out）方向
    
    GPIO 设置为输入时使用 read 系统调用读取 value 属性文件，就可以读取 GPIO 电平值。
    GPIO 设置为输出时， 使用 write 系统调用向 value 属性文件写入 0 或 1 字符串，就可以设置
    GPIO 电平值。如：
    #define DEV_PATH "/sys/class/gpio/gpio68/value" //输入输出电平值设备
    int fd_dev, ret ;
    fd_dev = open(DEV_PATH, O_RDWR); //打开输入输出电平值设备
    ...
    ret = read(fd_dev, buf, sizeof(buf)); //读取 GPIO 输入电平值
    
2.4 EasyARM-i.MX283A GPIO 应用编程
    1. GPIO 资源汇总
        下面介绍在 EasyARM-i.MX283A 开发板上操作 GPIO 的示例。 EasyARM-i.MX283A 底
        板 GPIO 通过扩展接口 1/2 引出。
        EasyARM-i.MX283A 没有直接给出 GPIO 排列序号，需要通过计算得出。 其序号计算
        公式如下：
            GPIO排列序号 = BANK × 32 + N
        BANK 为 GPIO 引脚所在的 BANK， N 为引脚所在的 BANK 的序号。比如管脚：P2.4为例，
        BANK 值为 2，N 为 4。其排列序号为 2*32+4=68。
            
    2. Shell 命令操作范例
        按照通用 GPIO 操作方法，我们以 EasyARM-i.MX283A 排列序号为 68 的 GPIO 为例进
        行 GPIO 输出操作，步骤如下：
        导出对应的 GPIO 设备目录：
        root@EasyARM-iMX283x # cd /sys/class/gpio
        root@EasyARM-iMX283x /sys/class/gpio# echo 68 >export
        输出方向设置：
        root@EasyARM-iMX283x /sys/devices/virtual/gpio/gpio68# echo out >direction
        通过向 value 文件写入 0 或 1（ 0 表示输出低电平； 1 表示输出高电平）可以设置输出电
        平的状态：
        root@EasyARM-iMX283x /sys/devices/virtual/gpio/gpio68# echo 0 >value
        root@EasyARM-iMX283x /sys/devices/virtual/gpio/gpio68# echo 1 >value    
        
    3. C 代码操作范例
    范例代码以 GPIO2_4 为例，实现 GPIO 的输入读取。首先通过 open()和 write()系统调用
    导出 GPIO，然后设置 GPIO 为输入，读取 GPIO 的输入值。操作范例如所程序清单 2.1所示。    
    
    程序清单 2.1 C 语言操作 GPIO 输入示例
    

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define DEV_PATH        "/sys/class/gpio/gpio68/value"        //输入输出电平值设备
#define EXPORT_PATH     "/sys/class/gpio/export"            //GPIO 设备导出设备
#define DIRECT_PATH     "/sys/class/gpio/gpio68/direction"    //GPIO 输入输出控制设备
#define OUT             "out"
#define IN                "in"
#define GPIO            "68"        // GPIO2_4
#define HIGH_LEVEL        "1"
#define LOW_LEVEL        "0"

int main(int argc, char ** argv)
{
    static int fd_dev, fd_export, fd_dir, ret;
    char buf[10], direction[4];
    fd_export = open(EXPORT_PATH, O_WRONLY); //打开 GPIO 设备导出设备
    if(fd_export < 0) {
        perror("open export:");
        return -1;
    }
    // 相当于输入命令： echo 68 > /sys/class/gpio/export
    // 导出GPIO68
    write(fd_export, GPIO, strlen(GPIO));

    fd_dev = open(DEV_PATH, O_RDWR); //打开输入输出电平值设备
    if(fd_dev < 0) {
        perror("export write:");
        return -1;
    }

    fd_dir = open(DIRECT_PATH, O_RDWR); //打开 GPIO 输入输出控制设备
    if(fd_dir < 0) {
        perror("export write:");
        return -1;
    }

    // 读取默认的gpio输入输出方向
    ret = read(fd_dir, direction, sizeof(direction)); //读取 GPIO2_4 输入输出方向
    if(ret < 0) {
        perror("dir read:");
        close(fd_export);
        close(fd_dir);
        close(fd_dev);
        return -1;
    }
    printf("default directions: %s", direction);

    // 设置管脚的方向：输入引脚
    strcpy(buf, IN);
    ret = write(fd_dir, buf, strlen(IN));
    if(ret < 0) {
        perror("dir read:");
        close(fd_export);
        close(fd_dir);
        close(fd_dev);
        return -1;
    }
    // 读取管脚输入输出方向，看是否设置成功
    ret = read(fd_dir, direction, sizeof(direction));
    if(ret < 0) {
        perror("dir read:");
        close(fd_export);
        close(fd_dir);
        close(fd_dev);
        return -1;
    }

    // 读取管脚的电平值
    ret = read(fd_dev, buf, sizeof(buf)); //读取 GPIO2_4 输入电平值
    if(ret < 0) {
        perror("dir read:");
        close(fd_export);
        close(fd_dir);
        close(fd_dev);
        return -1;
    }
    printf("now directions:%sinput level:%s", direction, buf);
    close(fd_export);
    close(fd_dir);
    close(fd_dev);
    return 0;
}

    编译目标代码：
    root@ubuntu:~# arm-fsl-linux-gnueabi-gcc test.c -o gpio_test
    将编译好的代码下载到开发板，运行代码前，先使用杜邦线将开发板 GND 或 Vcc 接入
    GPIO2_4,然后运行代码，代码会在串口打印当前输入电平值。
    
    测试：
    (1) GPIO2_4接上高电平：
        root@EasyARM-iMX283 /mnt/app_for_hardware/2nd_gpio# ./gpio
        default directions: in
        now directions:in
        input level:1
    (2) GPIO2_4接上低电平：
        root@EasyARM-iMX283 /mnt/app_for_hardware/2nd_gpio# ./gpio
        default directions: in
        now directions:in
        input level:0