树莓派按键控制LED（中断方式）

Posted 2022-12-23 Li-Yongjun

GPIO

GPIO（通用输入/输出口）是一个灵活的由软件控制的数字信号。
每个 GPIO 都代表一个连接到特定引脚或球珠（BGA 封装）的一个位。
电路板原理图显示了 GPIO 与外部硬件的连接关系。
在某些情况下，每个非专用引脚都可以配置为 GPIO，且大多数芯片都最少有一些 GPIO。
同时还有通过 I2C 或 SPI 串行总线连接的“GPIO 扩展器”芯片。
GPIO 的实际功能因系统而异，通常用法有：

• 输出；
• 输入；GPIO 控制器有输入去毛刺/消抖逻辑，有时也需要软件控制
• 输入通常可作为 IRQ 信号；一般为边沿触发，但有时是电平触发。
  • IRQ 可能配置为系统唤醒事件，以将系统从低功耗状态下唤醒。

对于给定的电路板，每个 GPIO 都用于某个特定的目的，如监控 MMC/SD 卡的插入/移除、检测卡的写保护状态、驱动 LED、配置收发器、模拟串行总线、复位硬件看门狗、感知开关状态等等。

使用

某个平台可能通过一个简单地访问芯片寄存器的内联函数来实现它，其它平台可能通过委托一系列不同的 GPIO 控制器的抽象函数来实现它。
想使用 GPIO 函数，驱动需要包含头文件

#include <linux/gpio.h>

GPIO 是通过无符号整型来标识的，范围是 0 到 MAX_INT。
平台会定义这些整数的用法，且通常使用 #define 来定义 GPIO，这样板级特定的启动代码可以直接关联相应的原理图。

① 对于一个 GPIO，系统应该做的第一件事情就是通过 gpio_request() 函数分配它

gpio_request()；

将无效的 GPIO 编码传递给 gpio_request() 会导致失败，申请一个已使用这个函数声明过的 GPIO 也会失败
gpio_request() 的返回值必须检查。你应该在进程上下文中调用这些函数。
如两个或更多驱动错误地认为他们已经独占了某个信号线,或是错误地认为移除一个管理着某个已激活信号的驱动是安全的。也就是说，申请 GPIO 的作用类似一种锁机制。

② 接下来是设置 I/O 方向，这通常是在板级启动代码中为所使用的 GPIO 设置 platform_device 时完成。
测试一个 GPIO 编号是否可用

/* 设置为输入或输出, 返回 0 或负的错误代码 */
int gpio_direction_input(unsigned gpio);
int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);

返回值为零代表成功，否则返回一个负的错误代码。
如果这个 GPIO 编码不存在，或者特定的 GPIO 不能用于那种模式，则方向设置可能失败。

大多数 GPIO 控制器可以通过内存读/写指令来访问。这些指令不会休眠,可以安全地在硬(非线程)中断例程和类似的上下文中完成。

③

/* GPIO 输入:返回零或非零 */
int gpio_get_value(unsigned gpio);

/* GPIO 输出 */
void gpio_set_value(unsigned gpio, int value);

当读取一个输出引脚的值时，返回值应该是引脚上的值。
要注意的是并不是所有平台都可以从输出引脚中读取数据，对于不能读取的引脚应总返回零。

④

/* 释放之前声明的 GPIO */
void gpio_free(unsigned gpio);

⑤

int gpio_is_valid(int number);

⑥ 申请一个 GPIO 并没有以任何方式配置它，只不过标识那个 GPIO 处于使用状态。必须有另外的代码来处理引脚配置(如控制 GPIO 使用的引脚、上拉/下拉)。
考虑到大多数情况下声明 GPIO 之后就会立即配置它们,所以定义了以下三个辅助函数：

/* 申请一个 GPIO 信号, 同时通过特定的'flags'初始化配置,
 * 其他和 gpio_request()的参数和返回值相同 */
int gpio_request_one(unsigned gpio, unsigned long flags, const char *label);

/* 在单个函数中申请多个 GPIO */
int gpio_request_array(struct gpio *array, size_t num);

/* 在单个函数中释放多个 GPIO */
void gpio_free_array(struct gpio *array, size_t num);

这里 'flags' 当前定义可指定以下属性:
	* GPIOF_DIR_IN		- 配置方向为输入
	* GPIOF_DIR_OUT		- 配置方向为输出
	
	* GPIOF_INIT_LOW	- 在作为输出时,初始值为低电平
	* GPIOF_INIT_HIGH	- 在作为输出时,初始值为高电平
	* GPIOF_OPEN_DRAIN	- gpio引脚为开漏信号
	* GPIOF_OPEN_SOURCE	- gpio引脚为源极开路信号
	
	* GPIOF_EXPORT_DIR_FIXED		- 将 gpio 导出到 sysfs，并保持方向
	* GPIOF_EXPORT_DIR_CHANGEABLE	- 同样是导出, 但允许改变方向

因为 GPIOF_INIT_* 仅有在配置为输出的时候才存在,所以有效的组合为:
	* GPIOF_IN		- 配置为输入
	* GPIOF_OUT_INIT_LOW	- 配置为输出,并初始化为低电平
	* GPIOF_OUT_INIT_HIGH	- 配置为输出,并初始化为高电平

注意：
当设置 flag 为 GPIOF_OPEN_DRAIN 时，则假设引脚是开漏信号。这样的引脚将不会在输出模式下置1。这样的引脚需要连接上拉电阻。通过使能这个标志，gpio库将会在被要求输出模式下置 1 时将引脚变为输入状态来使引脚置高。引脚在输出模式下通过置 0 使其输出低电平。
当设置 flag 为 GPIOF_OPEN_SOURCE 时，则假设引脚为源极开路信号。这样的引脚将不会在输出模式下置 0。这样的引脚需要连接下拉电阻。通过使能这个标志，gpio 库将会在被要求输出模式下置 0 时将引脚变为输入状态来使引脚置低。引脚在输出模式下通过置1使其输出高电平。

⑦ 更进一步，为了更简单地声明/释放多个 GPIO，‘struct gpio’ 被引进来封装所有这三个字段：

struct gpio 
	unsigned		gpio;
	unsigned long	flags;
	const char		*label;
;

一个典型的用例：

static struct gpio leds_gpios[] = 
	 32, GPIOF_OUT_INIT_HIGH, "Power LED" , /* 默认开启 */
	 33, GPIOF_OUT_INIT_LOW,  "Green LED" , /* 默认关闭 */
	 34, GPIOF_OUT_INIT_LOW,  "Red LED"   , /* 默认关闭 */
	 35, GPIOF_OUT_INIT_LOW,  "Blue LED"  , /* 默认关闭 */
	 ... ,
;

err = gpio_request_one(31, GPIOF_IN, "Reset Button");
if (err)
	...

err = gpio_request_array(leds_gpios, ARRAY_SIZE(leds_gpios));
if (err)
	...

gpio_free_array(leds_gpios, ARRAY_SIZE(leds_gpios));

⑧ GPIO 映射到 IRQ
GPIO 编号是无符号整数;IRQ 编号也是。
这些构成了两个逻辑上不同的命名空间(GPIO 0 不一定使用 IRQ 0)。你可以通过以下函数在它们之间实现映射：

/* 映射 GPIO 编号到 IRQ 编号 */
int gpio_to_irq(unsigned gpio);

/* 映射 IRQ 编号到 GPIO 编号 (尽量避免使用) */
int irq_to_gpio(unsigned irq);

返回值为负数表示出错，例如，某些 GPIO 无法做为 IRQ 使用。

⑨ irq_to_gpio()返回的非错误值大多数通常可以被 gpio_get_value() 所使用

irq_to_gpio()

⑩ 开漏
有时在只有低电平信号作为实际驱动结果的时候,共享的信号线需要使用“开漏”信号。
一个开漏信号的常见例子是共享的低电平使能 IRQ 信号线。
某些 GPIO 控制器直接支持开漏输出，还有许多不支持。当你需要开漏信号，但硬件又不直接支持的时候，一个常用的方法是用任何即可作输入也可作输出的 GPIO 引脚来模拟：（骚操作）

 LOW:	gpio_direction_output(gpio, 0) ... 这代码驱动信号并覆盖
	上拉配置。

 HIGH:	gpio_direction_input(gpio) ... 这代码关闭输出,所以上拉电阻
	(或其他的一些器件)控制了信号。

⑪ 特殊用途
例如，通过适当的系统硬件文档，用户空间可以知道 GIOP #23 控制 Flash 存储器的写保护(用于保护其中 Bootloader 分区)。产品的系统升级可能需要临时解除这个保护：首先导入一个 GPIO，改变其输出状态，然后在重新使能写保护前升级代码。通常情况下，GPIO #23 是不会被触及的，并且内核也不需要知道它。

⑫ 标准驱动
注意：标准内核驱动中已经存在通用的“LED 和按键”GPIO 任务，分别是:“leds-gpio” 和 “gpio_keys”。请使用这些来替代直接访问 GPIO，因为集成在内核框架中的这类驱动比你在用户空间的代码更好。

⑬ sysfs

   /sys/class/gpio/

   	"export" ... 用户空间可以通过写其编号到这个文件，要求内核导出
	一个 GPIO 的控制到用户空间。

	例如: 如果内核代码没有申请 GPIO #19,"echo 19 > export"
	将会为 GPIO #19 创建一个 "gpio19" 节点。

   	"unexport" ... 导出到用户空间的逆操作。

	例如: "echo 19 > unexport" 将会移除使用"export"文件导出的
	"gpio19" 节点。

⑭ 从内核代码中导出

内核代码可以明确地管理那些已通过 gpio_request()申请的 GPIO 的导出:

/* 导出 GPIO 到用户空间 */
int gpio_export(unsigned gpio, bool direction_may_change);

/* gpio_export()的逆操作 */
void gpio_unexport();

/* 创建一个 sysfs 连接到已导出的 GPIO 节点 */
int gpio_export_link(struct device *dev, const char *name,
	unsigned gpio)

在一个内核驱动申请一个 GPIO 之后，它可以通过 gpio_export() 使其在 sysfs 接口中可见。该驱动可以控制信号方向是否可修改。这有助于防止用户空间代码无意间破坏重要的系统状态。
这个明确的导出有助于(通过使某些实验更容易来)调试，也可以提供一个始终存在的接口，与文档配合作为板级支持包的一部分。

实例

硬件：树莓派
开发环境：Ubuntu、buildroot

interrupt.c

#include <linux/gpio.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/module.h>

#define BUTTON_PIN 12 /* GPIO 12 */
#define LED_PIN 21	  /* GPIO 21 */

int flag = 0;

static irqreturn_t irq_handler(int irq, void *dev)

	int curr_val;

	printk("%s()\\n", __FUNCTION__);

	curr_val = gpio_get_value(LED_PIN);
	gpio_set_value(LED_PIN, !curr_val);

	return IRQ_HANDLED;


static int led_init(void)

	int err;
	int irq;

	printk("%s()\\n", __FUNCTION__);

	err = gpio_request_one(BUTTON_PIN, GPIOF_IN, "Button");
	if (err)
		return err;

	err = gpio_request_one(LED_PIN, GPIOF_OUT_INIT_LOW, "LED");
	if (err)
		return err;

	irq = gpio_to_irq(BUTTON_PIN);
	// enable_irq(irq); // why crash ?
	err = request_irq(irq, irq_handler, IRQ_TYPE_EDGE_BOTH, "LED Test", NULL);
	if (err < 0) 
		printk("request irq (%d) failed!", irq);
		return err;
	

	printk("request irq (%d) success!", irq);

	flag = 1;

	return 0;


static void led_exit(void)

	printk("%s()\\n", __FUNCTION__);

	if (flag)
		free_irq(gpio_to_irq(BUTTON_PIN), NULL);

	gpio_free(BUTTON_PIN);
	gpio_free(LED_PIN);

	return;


module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

Makefile

obj-m = interrupt.o

KDIR=/home/liyongjun/project/board/buildroot/RPi3/build/linux-custom
CROSS_COMPILE=/home/liyongjun/project/board/buildroot/RPi3/host/bin/arm-buildroot-linux-gnueabihf-

all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) ARCH=arm CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) modules

clean:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) ARCH=arm CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) clean

测试

# tftp -gr interrupt.ko 192.168.31.224
# insmod interrupt.ko 
[  126.841440] led_init()
[  126.844522] request irq (200) success!
# 
# [  131.515371] irq_handler()
[  131.518698] irq_handler()
[  131.542489] irq_handler()
[  131.545789] irq_handler()
[  131.549085] irq_handler()
[  131.552373] irq_handler()
[  131.693361] irq_handler()
[  131.696647] irq_handler()
[  131.726628] irq_handler()
[  131.729905] irq_handler()
[  131.733188] irq_handler()
[  131.736740] irq_handler()
[  131.740021] irq_handler()
# 
# rmmod  interrupt.ko 
[  138.352981] led_exit()
#