Linux系统点亮LED

Posted 2023-03-05 行稳方能走远

目录

• 应用层操控硬件的两种方式
• • sysfs 文件系统
  • sysfs 与/sys
  • 总结
  • 标准接口与非标准接口
• LED 硬件控制方式
• 编写LED 应用程序
• 在开发板上测试

对于一款学习型开发板来说，永远都绕不开LED 这个小小的设备，基本上每块板子都至少会有一颗
LED 小灯，对于我们的ALPHA/Mini I.MX6U 开发板来说同样也是如此。
ALPHA/Mini I.MX6U 开发板（包括核心板和底板）上一共有3 颗LED 小灯，当仅有一颗LED 能够被用户所控制，其它两颗均作为电源指示灯而存在，用户对其不可控制；LED 通常是由GPIO 所控制的，本章我们来学习如何编写应用程序控制LED 灯的亮灭。

应用层操控硬件的两种方式

在Linux 系统下，一切皆文件！应用层如何操控底层硬件，同样也是通过文件I/O 的方式来实现，前面我们给大家介绍了设备文件，包括字符设备文件和块设备文件，为啥叫设备文件？大家有没有想过这个问题呢？其实设备文件便是各种硬件设备向应用层提供的一个接口，应用层通过对设备文件的I/O 操作来操控硬件设备，譬如LCD 显示屏、串口、按键、摄像头等等，所以设备文件其实是与硬件设备相互对应的。设备文件通常在/dev/目录下，我们也把/dev 目录下的文件称为设备节点。
设备节点并不是操控硬件设备的唯一途径，除此之外，我们还可以通过sysfs 文件系统对硬件设备进行操控，接下来将进行介绍！

sysfs 文件系统

简单的说，sysfs 是一个基于内存的文件系统，同devfs、proc 文件系统一样，称为虚拟文件系统；它的作用是将内核信息以文件的方式提供给应用层使用。7.7 小节中我们学习过proc 文件系统，应用层可以通过
proc文件系统得到系统信息和进程相关信息，与proc文件系统类似，sysfs 文件系统的主要功能便是对系统设备进行管理，它可以产生一个包含所有系统硬件层次的视图。
sysfs 文件系统把连接在系统上的设备和总线组织成为一个分级的文件、展示设备驱动模型中各组件的层次关系。sysfs 提供了一种机制，可以显式的描述内核对象、对象属性及对象间关系，用来导出内核对象
(kernel object，譬如一个硬件设备)的数据、属性到用户空间，以文件目录结构的形式为用户空间提供对这些数据、属性的访问支持。表15.1.1 描述了内核对象、对象属性及对象间关系在用户空间sysfs 中的的表现：

sysfs 与/sys

sysfs 文件系统挂载在/sys 目录下，启动ALPHA/Mini I.MX6U 开发板，进入Linux 系统（开发板出厂系统）之后，我们进入到/sys 目录下查看，如下所示：

上图显示的便是sysfs 文件系统中的目录，包括block、bus、class、dev、devices、firmware、fs、kernel、
modules、power 等，每个目录下又有许多文件或子目录，对这些目录的说明如所示：


系统中所有的设备（对象）都会在/sys/devices 体现出来，是sysfs 文件系统中最重要的目录结构；而
/sys/bus、/sys/class、/sys/dev 分别将设备按照挂载的总线类型、功能分类以及设备号的形式将设备组织存放在这些目录中，这些目录下的文件都是链接到了/sys/devices 中。
设备的一些属性、数据通常会通过设备目录下的文件体现出来，也就是说设备的数据、属性会导出到用户空间，以文件形式为用户空间提供对这些数据、属性的访问支持，可以把这些文件称为属性文件；读这些属性文件就表示读取设备的属性信息，相反写属性文件就表示对设备的属性进行设置、以控制设备的状态。

总结

这里给大家进行一个总结，应用层想要对底层硬件进行操控，通常可以通过两种方式：
⚫ /dev/目录下的设备文件（设备节点）；
⚫ /sys/目录下设备的属性文件。
具体使用哪种方式需要根据不同功能类型设备进行选择，有些设备只能通过设备节点进行操控，而有些设备只能通过sysfs 方式进行操控；当然跟设备驱动具体的实现方式有关，通常情况下，一般简单地设备会使用sysfs 方式操控，其设备驱动在实现时会将设备的一些属性导出到用户空间sysfs 文件系统，以属性文件的形式为用户空间提供对这些数据、属性的访问支持，譬如LED、GPIO 等。
但对于一些较复杂的设备通常会使用设备节点的方式，譬如LCD 等、触摸屏、摄像头等。

标准接口与非标准接口

Linux 内核中为了尽量降低驱动开发者难度以及接口标准化，就出现了设备驱动框架的概念；Linux 针对各种常见的设备进行分类，譬如LED 类设备、输入类设备、FrameBuffer 类设备、video 类设备、PWM 设备等等，并为每一种类型的设备设计了一套成熟的、标准的、典型的驱动实现的框架，这个就叫做设备驱动框架。设备驱动框架为驱动开发和应用层提供了一套统一的接口规范，譬如对LED 类设备来说，内核提供了LED 设备驱动框架，驱动工程师编写LED 驱动时，使用LED 驱动框架来开发自己的LED 驱动程序，这样做的好处就在于，能够对上层应用层提供统一、标准化的接口、同时又降低了驱动开发工程师的难度。
编写LED 驱动程序并不仅仅只能使用内核设计的LED 设备驱动框架，不用内核的LED 驱动框架也是可以开发出LED 驱动程序的，但如果你这样写，使用这个驱动程序注册的LED 那就不是标准设备了，因为该驱动程序向应用层提供的接口并不是统一、标准化接口。
除此之外，还有很多硬件外设，尤其是嵌入式系统中所使用到的这些硬件外设，它们可能并不属于Linux
系统所规划的设备分类当中的任何一种设备类型，譬如在Linux 系统中，有一种设备类型叫杂散/杂项类设备（misc device），大家可以想一想为啥叫杂散类设备，说明这种设备既不属于这种设备类型、又不属于另一种设备类型，无奈只能把它归为杂项类。
因为一个计算机系统所能够连接、使用的外设实在太多了，不可能每一种外设都能够精准地分类到某一个设备类型中，通常把这些无法进行分类的外设就称为杂项设备，杂项设备驱动程序向应用层提供的接口通常都不是标准化接口、它是一种非标准接口，具体如何去操控这个设备通常只有驱动工程师知道。所以在嵌入式系统中，很多硬件外设的驱动程序都是定制的。

LED 硬件控制方式

ALPHA/Mini I.MX6U 开发板底板上有一颗可被用户控制的LED 灯，如下所示：

上图中箭头所指的LED 便是开发板上唯一一个可以被用户所控制的LED，另外一颗LED 则（名称为
PWR）是底板上的电源指示灯。
对于ALPHA/Mini I.MX6U 开发板出厂系统来说，此LED 设备使用的是Linux 内核标准LED 驱动框架注册而成，在/dev 目录下并没有其对应的设备节点，其实现使用sysfs 方式控制。进入到/sys/class/leds 目录下，如下所示：

上小节介绍了/sys/class 目录，系统中的所有设备根据其功能分类组织到了/sys/class 目录下，所以
/sys/class/leds 目录下便存放了所有的LED 类设备。从上图可以看到该目录下有一个sys-led 文件夹，这个便是底板上的用户LED 设备文件夹，进入到该目录下，如下所示：

这里我们主要关注便是brightness、max_brightness 以及trigger 三个文件，这三个文件都是LED 设备的属性文件：
⚫ brightness：翻译过来就是亮度的意思，该属性文件可读可写；所以这个属性文件是用于设置LED
的亮度等级或者获取当前LED 的亮度等级，譬如brightness 等于0 表示LED 灭，brightness 为正整数表示LED 亮，其值越大、LED 越亮；对于PWM 控制的LED 来说，这通常是适用的，因为它存在亮度等级的问题，不同的亮度等级对应不同的占空比，自然LED 的亮度也是不同的；但对于GPIO
控制（控制GPIO 输出高低电平）的LED 来说，通常不存在亮度等级这样的说法，只有LED 亮（brightness 等于0）和LED 灭（brightness 为非0 值的正整数）两种状态，ALPHA/Mini I.MX6U
开发板上的这颗LED 就是如此，所以自然就不存在亮度等级一说，只有亮和灭两种亮度等级。
⚫ max_brightness：该属性文件只能被读取，不能写，用于获取LED 设备的最大亮度等级。
⚫ trigger：触发模式，该属性文件可读可写，读表示获取LED 当前的触发模式，写表示设置LED 的触发模式。不同的触发模式其触发条件不同，LED 设备会根据不同的触发条件自动控制其亮、灭状态，通过cat 命令查看该属性文件，可获取LED 支持的所有触发模式以及LED 当前被设置的触发模式：

方括号（[heartbeat]）括起来的表示当前LED 对应的触发模式，none 表示无触发，常用的触发模式包括
none（无触发）、mmc0（当对mmc0 设备发起读写操作的时候LED 会闪烁）、timer（LED 会有规律的一亮一灭，被定时器控制住）、heartbeat（心跳呼吸模式，LED 模仿人的心跳呼吸那样亮灭变化）。

通常系统启动之后，会将板子上的一颗LED 设置为heartbeat 触发模式，将其作为系统正常运行的指示灯，譬如ALPHA/Mini I.MX6U 开发板系统启动之后，底板上的用户LED 就会处于心跳呼吸模式，这个大家自己观察便可知道。
通过上面的介绍，已经知道如何去控制ALPHA/Mini I.MX6U 开发板底板上的用户LED 了，譬如通过
echo 命令进行控制：

echo timer > trigger //将LED 触发模式设置为timer
echo none > trigger //将LED 触发模式设置为none
echo 1 > brightness //点亮LED echo 0 > brightness//熄灭LED

大家可以自己动手使用echo 或cat 命令进行测试、控制LED 状态；除了使用echo 或cat 命令之后，同样我们编写应用程序，使用write()、read()函数对这些属性文件进行I/O 操作以达到控制LED 的效果。
Tips：命令cat 读取以及echo 写入到属性文件中的均是字符串，所以如果在应用程序中通过write()向属性文件写入数据，同样也要是字符串形式；同理，使用read()读取的数据也是字符串ASCII 编码的。

编写LED 应用程序

通过上一小节的介绍，我们已经知道了如何控制LED，接下来编写一个简单地示例代码演示如何控制
LED，测试代码如下所示：
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->15_led->led.c。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#define LED_TRIGGER "/sys/class/leds/sys-led/trigger"
#define LED_BRIGHTNESS "/sys/class/leds/sys-led/brightness"
#define USAGE() fprintf(stderr, "usage:\\n" \\
                " %s <on|off>\\n" \\
                " %s <trigger> <type>\\n", argv[0], argv[0])
int main(int argc, char *argv[])

        int fd1, fd2;
        /* 校验传参*/
        if (2 > argc) 
                USAGE();
                exit(-1);
        
        /* 打开文件*/
        fd1 = open(LED_TRIGGER, O_RDWR);
        if (0 > fd1) 
                perror("open error");
                exit(-1);
        
        fd2 = open(LED_BRIGHTNESS, O_RDWR);
        if (0 > fd2) 
                perror("open error");
                exit(-1);
        
        /* 根据传参控制LED */
        if (!strcmp(argv[1], "on")) 
                write(fd1, "none", 4); //先将触发模式设置为none
                write(fd2, "1", 1); //点亮LED
        
        else if (!strcmp(argv[1], "off")) 
                write(fd1, "none", 4); //先将触发模式设置为none
                write(fd2, "0", 1); //LED 灭
        
        else if (!strcmp(argv[1], "trigger")) 
                if (3 != argc) 
                        USAGE();
                        exit(-1);
                
                if (0 > write(fd1, argv[2], strlen(argv[2])))
                        perror("write error");
        
        else
                USAGE();
        exit(0);

程序中定义了两个宏，LED_TRIGGER 和LED_BRIGHTNESS，分别对应/sys/class/leds/sys-led/trigger 和
/sys/class/leds/sys-led/brightness 属性文件，宏USAGE()用于打印程序的使用方法；程序首先会调用open()函数打开这两个属性文件，之后判断传入参数指向相应的动作，传入"on"表示点亮LED，先调用write()将"none"
写入到trigger 属性文件中，也就是设置为无触发，接着再向brightness 属性文件中写入"1"点亮LED；传入
"off"表示熄灭LED，同样也是先调用write()将"none"写入到trigger 属性文件设置LED 为无触发，接着再向
brightness 属性文件中写入"0"熄灭LED；传入"trigger"表示设置LED 的触发模式，则需要传入第二个参数，第二个参数表示需要设置的模式。

整个代码非常简单，接下来对测试代码进行编译，需要注意的时，由于我们是在ALPHA/Mini I.MX6U
开发板上运行程序，所以需要I.MX6U 平台对应的交叉编译工具来编译测试代码，这样编译得到的可执行文件才能在开发板上运行。
首先大家需要安装I.MX6U 硬件平台对应的交叉编译工具，如何安装呢？直接参考“开发板光盘资料
A-基础资料/【正点原子】I.MX6U 用户快速体验V1.7.3.pdf”文档中的第四章内容，根据文档的指示安装好交叉编译工具，当然如果你已经在Ubuntu 系统下安装过了，就不用再次安装了。
安装完成之后，在使用之前先对交叉编译工具的环境进行设置，使用source 执行安装目录下的
environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi 脚本文件即可，如下所示：

source /opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0/environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi

/opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0 便是笔者在Ubuntu 系统下安装交叉编译工具时对应的安装目录，大家根据自己的情况设置正确的路径。处理完成之后，接下来我们便可以对示例代码15.3.1 进行编译了：

CC 变量其实就是交叉编译工具，如下所示：

所以CC 环境变量其实就是ARM 架构下的gcc 编译器—交叉编译工具arm-poky-linux-gnueabi-gcc，后面指定了一些选项，这些选项就不用管了；编译成功之后，会生成可在开发板上运行的可执行文件testApp，使用file 命令可以查看testApp 可执行文件的类型：

可以看出该文件是一个32 位ARM 架构下的可执行文件。

在开发板上测试

启动开发板进入Linux 系统，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，如下图所示：

拷贝方法很多，推荐大家使用scp 命令，这里就不再介绍了。
接下来执行testApp 程序测试：

./testApp on # 点亮LED
./testApp off # 熄灭LED
./testApp trigger heartbeat # 将LED 触发模式设置为heartbeat

查看LED 状态是否与程序执行的效果一致！