《I.MX6U嵌入式Linux C应用编程指南 V1.1》第十七章 GPIO应用编程

正点原子运营

1）实验平台：正点原子阿尔法Linux开发板
2)  章节摘自【正点原子】《I.MX6U嵌入式Linux C应用编程指南 V1.1》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609033604451
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/arm-linux/zdyz-i.mx6ull.html
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子阿尔法Linux交流群：1027879335

第十七章 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。

1.1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：

图 17.1.1 /sys/class/gpio目录

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：

图 17.1.2 gpiochip0目录下的文件

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。

图 17.1.3 base属性文件

label：该组GPIO对应的标签，也就是名字。

图 17.1.4 label属性文件

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）。

图 17.1.5 ngpio属性文件

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：

1. 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）

复制代码

图 17.1.6 导出成功

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。

图 17.1.7 GPIO引脚对应的文件夹

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：

1. echo 0 > unexport                # 删除导出的编号为0的GPIO引脚

复制代码

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：

图 17.1.8 导出失败

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：

图 17.1.9 gpioX文件夹

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：

图 17.1.10 direction属性文件

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：

1. # 获取GPIO引脚的输入电平状态
   
2. echo "in" > direction
   
3. cat value
   
4. 
   
5. # 控制GPIO引脚输出高电平
   
6. echo "out" > direction
   
7. echo "1" > value

复制代码

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：

1. # active_low等于0时
   
2. echo "0" > active_low
   
3. echo "out" > direction
   
4. echo "1" > value                #输出高
   
5. echo "0" > value                #输出低
   
6. 
   
7. # active_low等于1时
   
8. $ echo "1" > active_low
   
9. $ echo "out" > direction
   
10. $ echo "1" > value                #输出低
    
11. $ echo "0" > value                #输出高

复制代码

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。
1.2编写应用程序
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->17_gpio->gpio.c。
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PWM波形，其示例代码如下所示：
示例代码 17.2.1 控制GPIO输出PWM

1. #include <stdio.h>
   
2. #include <stdlib.h>
   
3. #include <sys/types.h>
   
4. #include <sys/stat.h>
   
5. #include <fcntl.h>
   
6. #include <unistd.h>
   
7. #include <string.h>
   
8. 
   
9. #define  EXPORT     "/sys/class/gpio/export"
   
10. 
    
11. int main(int argc, char *argv[])
    
12. {
    
13.     char gpio_dir[50] = "/sys/class/gpio/gpio";
    
14.     char file_path[50] = {0};
    
15.     int fd;
    
16. 
    
17.     /* 校验传参 */
    
18.     if (2 != argc) {
    
19.         fprintf(stderr, "usage: %s <gpio>\n", argv[0]);
    
20.         exit(-1);
    
21.     }
    
22. 
    
23.     /* 判断指定编号的GPIO是否导出 */
    
24.     strcat(gpio_dir, argv[1]);
    
25.     if (0 > access(gpio_dir, F_OK)) {//如果目录不存在 则需要导出
    
26.         if (0 > (fd = open(EXPORT, O_WRONLY))) {
    
27.             perror("open error");
    
28.             exit(-1);
    
29.         }
    
30. 
    
31.         if (0 > write(fd, argv[1], strlen(argv[1]))) {//导出gpio
    
32.             perror("write error");
    
33.             exit(-1);
    
34.         }
    
35. 
    
36.         close(fd);  //关闭文件
    
37.     }
    
38. 
    
39.     /* 配置为输出模式 */
    
40.     strcpy(file_path, gpio_dir);
    
41.     strcat(file_path, "/direction");
    
42.     if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) {
    
43.         perror("open error");
    
44.         exit(-1);
    
45.     }
    
46. 
    
47.     if (0 > write(fd, "out", 3)) {  //配置为输出模式
    
48.         perror("write error");
    
49.         exit(-1);
    
50.     }
    
51. 
    
52.     close(fd);
    
53. 
    
54.     /* 极性设置 */
    
55.     memset(file_path, 0x0, sizeof(file_path));
    
56.     strcpy(file_path, gpio_dir);
    
57.     strcat(file_path, "/active_low");
    
58.     if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) {
    
59.         perror("open error");
    
60.         exit(-1);
    
61.     }
    
62. 
    
63.     if (0 > write(fd, "0", 1)) {
    
64.         perror("write error");
    
65.         exit(-1);
    
66.     }
    
67. 
    
68.     close(fd);
    
69. 
    
70.     /* 控制GPIO输出高低电平 */
    
71.     memset(file_path, 0x0, sizeof(file_path));
    
72.     strcpy(file_path, gpio_dir);
    
73.     strcat(file_path, "/value");
    
74.     if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) {
    
75.         perror("open error");
    
76.         exit(-1);
    
77.     }
    
78. 
    
79.     for ( ; ; ) {   //产生PWM  50Hz
    
80.         write(fd, "1", 1);                  //拉高
    
81.         usleep(10 * 1000);          //休眠10ms
    
82.         write(fd, "0", 1);                  //拉低
    
83.         usleep(10 * 1000);          //休眠10ms
    
84.     }
    
85. }

复制代码

执行程序时需要传入一个参数，该参数指定一个编号，程序会控制指定编号的GPIO引脚产生PWM。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"；最后再控制GPIO引脚输出相应的高低电平，以使其产生PWM，通过对value文件写入"1"或"0"来拉高或拉低GPIO。
使用交叉编译工具编译应用程序，如下所示：

图 17.2.1 编译应用程序

1.3在开发板上测试
将上小节编译得到的可执行文件testApp拷贝到开发板根文件系统中，譬如拷贝到开发板Linux系统的家目录下，接着执行应用程序：

图 17.3.1 执行应用程序

执行应用程序时，笔者指定的编号为1，也就是对应I.MX6UL/I.MX6ULL的GPIO1_IO01，在阿尔法开发板底板上已经将该引脚引出了，如下所示：

图 17.3.2 GPIO1_IO01引脚

程序执行之后，大家可以使用示波器查看该引脚是否输出了PWM波形，下图是笔者使用示波器所测试的结果：

图 17.3.3 测试结果

从图中可以看出，由应用程序所控制产生的PWM波其周期为50Hz，占空比为50%，与程序实际设置的情况是相符合的。