IMX6ULL|GPIO子系统

news2024/9/24 13:23:02

一.GPIO子系统

GPIO是General Purpose I/O的缩写，即通用输入输出端口，简单来说就是MCU/CPU可控制的引脚，这些引脚通常有多种功能，最基本的是高低电平输入检测和输出，部分引脚还会与主控器的片上外设绑定，如作为串口、I2C、网络、电压检测的通讯引脚。

与LED子系统类似，Linux提供了GPIO子系统驱动框架，使用该驱动框架可以把CPU的GPIO引脚导出到用户空间，用户通过访问/sys文件系统进行控制，GPIO子系统支持把引脚用于基本的输入输出功能，其中输入功能还支持中断检测。在Linux内核源码的“Documentation/gpio”目录可找到关于GPIO子系统的说明。

通过GPIO子系统可以控制LED、蜂鸣器以及按键检测这类硬件设备，不过由于本开发板出厂的默认镜像中，LED灯使用了LED子系统驱动控制，按键使用了input输入子系统驱动控制，不方便在用户空间使用GPIO的方式进行实验，而蜂鸣器在驱动层中我们是使用GPIO子系统的，本章选择蜂鸣器作为示例讲解。

在Mini开发板上没有蜂鸣器，实验时可使用电压表检测对应引脚的电平输出。

二.GPIO设备目录

GPIO驱动子系统导出到用户空间的目录是/sys/class/gpio。

可使用如下命令查看：

#在主机或开发板的终端使用以下命令查看
ls -lh /sys/class/gpio

#以下命令不支持在Ubuntu主机上运行
#导出GPIO到用户空间
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#查看目录的变化，增加了gpio19目录
ls /sys/class/gpio/
#把gpio19从用户空间中取消导出
echo 19 > /sys/class/gpio/unexport
#查看目录变化，gpio19目录消失了
ls /sys/class/gpio/

如下图:
在这里插入图片描述

该目录下的主要内容说明如下：

export文件：导出GPIO，该文件只能写不能读，用户向该文件写入GPIO的编号N可以向内核申请将该编号的GPIO导出到用户空间，若内核本身没有把该GPIO用于其它功能，那么在/sys/class/gpio目录下会新增一个对应编号的gpioN目录，如上图一导出了gpio19。
unexport文件：export的相反操作，取消导出GPIO，该文件同样只能写不能读。上图演示了往unexport写入19后，gpio19目录消失了。
gpiochipX目录：该目录是指GPIO控制器外设，Ubuntu主机上默认没有这样的功能。
gpioN目录：通过export导出的具体GPIO引脚的控制目录，如上图中的gpio19目录下会包含有控制该引脚的相应文件

三.GPIO设备属性

gpioN目录下相关的设备文件，可以使用以下命令查看：

#在开发板的终端使用以下命令
#导出编号为19的GPIO
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#查看gpio19目录下的内容
ls -lh /sys/class/gpio/gpio19

如下图:
在这里插入图片描述

常用的属性文件介绍如下：

direction文件：表示GPIO引脚的方向，它的可取值如下：

in：引脚为输入模式。

out：引脚为输出模式，且默认输出电平为低。

low：引脚为输出模式，且默认输出电平为低。

high：引脚为输出模式，且默认输出电平为高。

value文件:

表示GPIO的电平，1表示高电平，0表示低电平。GPIO被配置为输出模式，那么修改该文件的内容可以改变引脚的电平。

edge文件：用于配置GPIO的中断触发方式，当GPIO被配置为中断时，可以通过系统的poll函数监听。edge文件可取如下的属性值：

none：没有使用中断模式。

rising：表示引脚为中断输入模式，上升沿触发。

falling：表示引脚为中断输入模式，下降沿触发。

both：表示引脚为中断输入模式，边沿触发

与LED子系统不同，当某个引脚被用于具体的LED设备时，该引脚会被设备占用，它的功能在用户空间是无法再被修改的，而使用GPIO子系统的设备则可以在用户空间灵活配置作为输入、输出或中断模式。

只要我们知道蜂鸣器的GPIO引脚编号，就可以就可以通过它导出的direction、value文件控制引脚输出高低电平，从而控制它发声了。当然，如果硬件上临时把该引脚修改为按键高低电平检测，此时也可以通过这些文件把引脚改为输入模式使用，而不需要修改Linux内核驱动

四. 引脚编号转换

与LED驱动设备不一样，LED已经在内核驱动（设备树）绑定了具体引脚的端口号，最终直接以设备名字导出到用户空间，所以控制时只要通过设备文件即可控制，而不需要知道具体的硬件连接。使用GPIO子系统时，需要用户自主控制导出使用哪个引脚，所以我们要根据蜂鸣器的硬件连接来进行实验。

如下图:

在这里插入图片描述

从上图可了解到，蜂鸣器的控制引脚名为“GPIO1_19”，该引脚输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器响，引脚输出低电平时，电路断开，蜂鸣器不响。

i.MX6ULL芯片GPIO引脚名格式通常为GPIOn_IOx，如此处的GPIO1_19或GPIO4_IO20等等，其中n是端口号，x为该组端口的引脚号，本开发板采用的芯片有1_{5组端口，每组端口包含的引脚从0}31不等。本开发板中export文件使用的编号index与GPIO引脚名的转换关系如下：

index = GPIOn_IOx = (n-1)*32 + x

例如蜂鸣器使用的引脚编号为：index = GPIO1_19 = (1-1)*32 +19 = 19。

又例如GPIO4_IO20的编号为：index = GPIO4_IO20 = (4-1)*32+20=116。

要注意并不是所有的引脚都能通过export文件导出到用户空间的，例如GPIO4_IO20引脚已经被用在了LED设备上。

四.控制蜂鸣器（Shell）

下面使用命令行控制蜂鸣器，讲解GPIO子系统设备属性的应用。

由于在Ubuntu主机通常无法导出GPIO，请在开发板上执行以下命令测试,测试前需确保当前用户为root用户：

#以下命令在开发板上执行
#导出蜂鸣器使用的GPIO到用户空间
echo 19 > /sys/class/gpio/export
#确认出现了gpio19设备目录
ls /sys/class/gpio/
#控制gpio19方向为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio19/direction
#控制gpio19输出高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio19/value
#控制gpio19输出低电平
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio19/value

如下图:
在这里插入图片描述

命令执行的原理非常简单：

把蜂鸣器的编号写入到export文件，导出GPIO设备。
修改蜂鸣器设备属性direction文件值为out，把GPIO设置为输出方向。
修改蜂鸣器设备属性文件value的值为1或0，控制蜂鸣器响或不响。

五.控制蜂鸣器（系统调用）

类似地，也可以通过系统调用的文件操作方式控制蜂鸣器。

工程中的beep_bsp.c文件包含了控制蜂鸣器相关的函数，见如下所示。

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

//arm-linux-gnueabihf-gcc
#define OFF "1"
#define ON "0"
#define OUT "out"
#define GPIO "19"

int beep_init(void)
{
    int fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);
    if (fd < 0)
        return 1;
    write(fd, GPIO, strlen(GPIO)); //产生GPIO1_19文件
    close(fd);

    fd = open("/sys/class/gpio/gpio" GPIO "/direction", O_WRONLY);
    if (fd < 0)
        return 2;
    write(fd, OUT, strlen(OUT)); //设置为输出模式,默认低电平
    close(fd);
    return 0;
}

int beep_on()
{
    int fd = open("/sys/class/gpio/gpio" GPIO "/value", O_WRONLY);
    if (fd < 0)
        return 1;
    write(fd, OFF, strlen(OFF));
    close(fd);
    return 0;
}

int beep_off()
{
    int fd = open("/sys/class/gpio/gpio" GPIO "/value", O_WRONLY);
    if (fd < 0)
        return 1;
    write(fd, ON, strlen(ON));
    close(fd);
    return 0;
}

int beep_deinit(void)
{
    int fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY);
    if (fd < 0)
        return 1;
    write(fd, GPIO, strlen(GPIO)); //销毁GPIO1_19文件
    close(fd);
    return 0;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buf[10];
    int res;
    printf("This is the beep demo\n");

    res = beep_init();
    if (res)
    {
        printf("beep init error,code = %d", res);
        return 0;
    }
    while (1)
    {
        printf("Please input the value : 0--off 1--on q--exit\n");
        scanf("%10s", buf);
        switch (buf[0])
        {
        case '0':
            beep_off();
            break;
        case '1':
            beep_on();
            break;
        case 'q':
            beep_deinit();
            printf("Exit\n");
            return 0;
        default:
            break;
        }
    }

    beep_deinit();
    return 0;
}