正点原子I.MX6U-MINI应用篇4嵌入式Linux关于GPIO的一些操作

Posted 2022-11-20 果果小师弟

一、应用层如何操作GPIO

先看看板子的文件系统目录。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：

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：

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。

• label ：该组 GPIO 对应的标签，也就是名字。

• 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)。

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：

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）

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。

• 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：

echo 0 > unexport #删除导出的编号为0的GPIO引脚

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：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：

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：

• 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：

# 获取 GPIO 引脚的输入电平状态
echo "in" > direction
cat value
# 控制 GPIO 引脚输出高电平
echo "out" > direction
echo "1" > value

• 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：

# active_low 等于 0 时
echo "0" > active_low
echo "out" > direction
echo "1" > value  #输出高
echo "0" > value  #输出低
# active_low 等于 1 时
$ echo "1" > active_low
$ echo "out" > direction
$ echo "1" > value #输出低
$ echo "0" > value #输出高

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。

二、GPIO应用编程之输出

1.1 程序源码

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

static char gpio_path[100];

static int gpio_config(const char *attr, const char *val)

    char file_path[100];
    int len;
    int fd;

    sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, attr);
    if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) 
        perror("open error");
        return fd;
    

    len = strlen(val);
    if (len != write(fd, val, len)) 
        perror("write error");
        close(fd);
        return -1;
    

    close(fd);  //关闭文件
    return 0;


int main(int argc, char *argv[])

    /* 校验传参 */
    if (3 != argc) 
        fprintf(stderr, "usage: %s <gpio> <value>\\n", argv[0]);
        exit(-1);
    

    /* 判断指定编号的GPIO是否导出 */
    sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]);

    if (access(gpio_path, F_OK)) //如果目录不存在 则需要导出

        int fd;
        int len;

        if (0 > (fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY))) 
            perror("open error");
            exit(-1);
        

        len = strlen(argv[1]);
        if (len != write(fd, argv[1], len)) //导出gpio
            perror("write error");
            close(fd);
            exit(-1);
        

        close(fd);  //关闭文件
    

    /* 配置为输出模式 */
    if (gpio_config("direction", "out"))
        exit(-1);

    /* 极性设置 */
    if (gpio_config("active_low", "0"))
        exit(-1);

    /* 控制GPIO输出高低电平 */
    if (gpio_config("value", argv[2]))
        exit(-1);

    /* 退出程序 */
    exit(0);

执行程序时需要传入两个参数，argv[1]指定GPIO的编号、argv[2]指定输出电平状态(0 表示低电平、1 表示高电平)。

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(不用配置也可以)；最后再控制GPIO引脚输出相应的电平状态，通过对value属性文件写入1或0来使其输出高电平或低电平。

2.2 编译程序

我们要想给ARM板编译出程序，需要使用交叉编译工具链，交叉编译的工具链我们已经安装过了，详细请看【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.x.pdf 的第4.3小节。我是用的是arm-linux-gnueabihf交叉编译工具链。使用arm-linux-gnueabihf-gcc -v可以查看交叉编译工具链的版本号。

然后就可以使用下面命令编译出可以在ARM板子上运行的可执行文件了。

arm-linux-gnueabihf-gcc -o gpio_out gpio_out .c

• 1、arm表示这是编译arm架构代码的编译器。
• 2、linux表示运行在linux环境下。
• 3、gnueabihf表示嵌入式二进制接口。
• 4、gcc表示是gcc工具。

这样编译出来的 led程序才可以在ARM板子上运行。执行file gpio_out 命令就可以看出hello是32位LSB的ELF格式文件，目标机架构为ARM，说明这个交叉编译正常，可执行文件可以在ARM板上执行。

2.3 上传程序到开发板执行

开发板启动后通过nfs挂载Ubuntu目录的方式，将相应的文件拷贝到开发板上。简单来说，就是通过NFS在开发板上通过网络直接访问ubuntu虚拟机上的文件，并且就相当于自己本地的文件一样。

开发板想访问/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source这个目录中的文件，就要把/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source挂载到开发板的mnt目录，这样就可以通过nfs来访问/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source了。

因为我的代码都放在/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source这个目录下，所以我们将这个目录作为NFS共享文件夹。设置方法参考移植SQLite3、OpenCV到RV1126开发板上开发人脸识别项目第一章。

Ubuntu IP为192.168.10.100，然后一般都是挂载在开发板的mnt目录下，这个目录是专门用来给我们作为临时挂载的目录。

然后使用MobaXterm软件通过SSH访问开发板。

ubuntu ip:192.168.10.100
windows ip:192.168.10.200
开发板ip:192.168.10.50

在开发板上执行以下命令：

mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.10.100:/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source /mnt

就将开饭的mnt目录挂载在ubuntu的/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source目录下了。这样我们就可以在Ubuntu下修改文件，然后可以直接在开发板上执行可执行文件了。当然我这里的/home/zhiguoxin/myproject/和windows之间是一个共享目录，我也可以直接在windows上面修改文件，然后ubuntu和开发板直接进行文件同步了。

这里以板子上的 GPIO1_IO01 引脚为例，该引脚在底板上已经引出

然后编译，可以编译成功。

./gpio_out 1 1 #控制GPIO1_IO01输出高电平
./gpio_out 1 0 #控制GPIO1_IO01输出高电平

执行相应的命令后，可以使用万用表或者连接一个LED小灯进行检验，以验证实验结果！

三、GPIO应用编程之输入

3.1 程序源码

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

static char gpio_path[100];

static int gpio_config(const char *attr, const char *val)

    char file_path[100];
    int len;
    int fd;

    sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, attr);
    if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) 
        perror("open error");
        return fd;
    

    len = strlen(val);
    if (len != write(fd, val, len)) 
        perror("write error");
        close(fd);
        return -1;
    

    close(fd);  //关闭文件
    return 0;


int main(int argc, char *argv[])

    char file_path[100];
    char val;
    int fd;

    /* 校验传参 */
    if (2 != argc) 
        fprintf(stderr, "usage: %s <gpio>\\n", argv[0]);
        exit(-1);
    

    /* 判断指定编号的GPIO是否导出 */
    sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]);

    if (access(gpio_path, F_OK)) //如果目录不存在 则需要导出

        int len;

        if (0 > (fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY))) 
            perror("open error");
            exit(-1);
        

        len = strlen(argv[1]);
        if (len != write(fd, argv[1], len)) //导出gpio
            perror("write error");
            close(fd);
            exit(-1);
        

        close(fd);  //关闭文件
    

    /* 配置为输入模式 */
    if (gpio_config("direction", "in"))
        exit(-1);

    /* 极性设置 */
    if (gpio_config("active_low", "0"))
        exit(-1);

    /* 配置为非中断方式 */
    if (gpio_config("edge", "none"))
        exit(-1);

    /* 读取GPIO电平状态 */
    sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, "value");

    if (0 > (fd = open(file_path, O_RDONLY))) 
        perror("open error");
        exit(-1);
    

    if (0 > read(fd, &val, 1)) 
        perror("read error");
        close(fd);
        exit(-1);
    

    printf("value: %c\\n", val);

    /* 退出程序 */
    close(fd);
    exit(0);

执行程序时需要传入一个参数，argv[1]指定要读取电平状态的GPIO对应的编号。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，若未导出，则通过/sys/class/gpio/export文件将其导出；导出之后先配置了GPIO引脚为输入模式，也就是向direction文件中写入in；接着再配置极性、设置 GPIO 引脚为非中断模式(向 edge 属性文件中写入none)。最后打开value属性文件，读取GPIO的电平状态并将其打印出来。

3.2 编译程序

我们要想给ARM板编译出程序，需要使用交叉编译工具链，交叉编译的工具链我们已经安装过了，详细请看【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.x.pdf 的第4.3小节。我是用的是arm-linux-gnueabihf交叉编译工具链。使用arm-linux-gnueabihf-gcc -v可以查看交叉编译工具链的版本号。

然后就可以使用下面命令编译出可以在ARM板子上运行的可执行文件了。

arm-linux-gnueabihf-gcc -o gpio_in gpio_in .c

• 1、arm表示这是编译arm架构代码的编译器。
• 2、linux表示运行在linux环境下。
• 3、gnueabihf表示嵌入式二进制接口。
• 4、gcc表示是gcc工具。

这样编译出来的 led程序才可以在ARM板子上运行。执行file gpio_in 命令就可以看出hello是32位LSB的ELF格式文件，目标机架构为ARM，说明这个交叉编译正常，可执行文件可以在ARM板上执行。

2.3 上传程序到开发板执行

开发板启动后通过nfs挂载Ubuntu目录的方式，将相应的文件拷贝到开发板上。简单来说，就是通过NFS在开发板上通过网络直接访问ubuntu虚拟机上的文件，并且就相当于自己本地的文件一样。

开发板想访问/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source这个目录中的文件，就要把/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source挂载到开发板的mnt目录，这样就可以通过nfs来访问/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source了。

因为我的代码都放在/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source这个目录下，所以我们将这个目录作为NFS共享文件夹。设置方法参考移植SQLite3、OpenCV到RV1126开发板上开发人脸识别项目第一章。

Ubuntu IP为192.168.10.100，然后一般都是挂载在开发板的mnt目录下，这个目录是专门用来给我们作为临时挂载的目录。

然后使用MobaXterm软件通过SSH访问开发板。

ubuntu ip:192.168.10.100
windows ip:192.168.10.200
开发板ip:192.168.10.50

在开发板上执行以下命令：

mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.10.100:/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source /mnt

就将开饭的mnt目录挂载在ubuntu的/home/zhiguoxin/myproject/alientek_app_development_source目录下了。这样我们就可以在Ubuntu下修改文件，然后可以直接在开发板上执行可执行文件了。当然我这里的/home/zhiguoxin/myproject/和windows之间是一个共享目录，我也可以直接在windows上面修改文件，然后ubuntu和开发板直接进行文件同步了。

这里以板子上的GPIO1_IO01引脚为例，该引脚在底板上已经引出：

首先通过杜邦线将GPIO1_IO01引脚连接到板子上的3.3V电源引脚上，接着执行命令读取GPIO电平状态：

./gpio_in 1

打印出的value等于1，表示读取到GPIO的电平确实是高电平；接着将GPIO1_IO01引脚连接到板子上的GND引脚上，执行命令：

./gpio_in 1 

打印出的value等于0，表示读取到GPIO的电平确实是低电平；测试结果与实际相符合！

四、GPIO应用编程之中断

4.1 程序源码

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

static char gpio_path[100];

static int gpio_config(const char *attr, const char *val)

    char file_path[100];
    int len;
    int fd;

    sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, attr);
    if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) 
        perror("open error");
        return fd;
    

    len = strlen(val);
    if (len != write(fd, val, len)) 
        perror("write error");
        return -1;
    

    close(fd);  //关闭文件
    return 0;


int main(int argc, char *argv[])

    struct pollfd pfd;
    char file_path[100];
    int ret;
    char val;

    /* 校验传参 */
    if (2 != argc) 
        fprintf(stderr, "usage: %s <gpio>\\n", argv[0]);
        exit(-1);
    

    /* 判断指定编号的GPIO是否导出 */
    sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]);

    if (access(gpio_path, F_OK)) //如果目录不存在 则需要导出

        int len;
        int fd;

        if (0 > (fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY))) 
            perror("open error");
            exit(-1);
        

        len = strlen(argv[1]);
        if (len != write(fd, argv[1], len)) //导出gpio
            perror("write error");
    
以上是关于正点原子I.MX6U-MINI应用篇4嵌入式Linux关于GPIO的一些操作的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 
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