GPIO
在本章中，我们将学习如何使用 sysfs 文件系统来访问和控制 GPIO。
示例程序：Code.zip
1.GPIO子系统
GPIO（通用输入/输出）是一种通用引脚，可以由微控制器（MCU）或CPU控制，具有多种功能，包括高低电平输入检测和输出控制。在 Linux 中，GPIO 引脚可以被导出到用户空间，通过 sysfs 文件系统进行控制，使得 GPIO 引脚可以用于各种用途，如串口通信、I2C、网络通信、电压检测等。
在 Linux 中，有一个专门的 GPIO 子系统驱动框架，用于处理 GPIO 设备。通过这个框架，用户可以轻松地与 CPU 的 GPIO 引脚进行交互。这个驱动框架支持将引脚用于基本的输入和输出功能，同时输入功能还支持中断检测。这使得开发者可以利用 GPIO 子系统轻松地将 GPIO 引脚用于各种用途，实现了灵活性和可编程性。有关 GPIO 子系统的更多详细信息可以在 <Linux内核源码>/Documentation/gpio 目录中找到。
2.控制GPIO（Shell）
2.1 引脚分布
在将 GPIO 引脚导出到用户空间时，通常需要用到引脚编号，我们可以通过接口图进行确定。LuckFox Pico Ultra/Ultra W 引脚图：
2.2 编号计算
GPIO对应的引脚编号均在引脚图中标出，您可以直接使用或按照下面方法进行计算。
GPIO 有5个 bank：GPIO0~GPIO4，每个 bank 分为4组，共有32个 pin：A0~A7, B0~B7, C0~C7, D0~D7
GPIO 的命名方式为 GPIO{bank}_{group}{X}，如下所示：
GPIO0_A0 ~ A7
GPIO0_B0 ~ B7
GPIO0_C0 ~ C7
GPIO0_D0 ~ D7
GPIO1_A0 ~ A7
....
GPIO1_D0 ~ D7
....
GPIO4_D0 ~ D7GPIO 编号计算方法如下：
GPIO 引脚编号计算公式：pin = bank * 32 + number
GPIO 组内编号计算公式：number = group * 8 + X
综上：pin = bank * 32 + (group * 8 + X)以 GPIO1_B1_d 为例说明，其中：
bank：1group：1 (A=0, B=1, C=2, D=3)X：1
所以 GPIO1_C7_d 的引脚编号为：1 x 32 + ( 1 x 8 + 1) = 41
2.3 设备目录
在 /sys/class/gpio 目录中，每个 GPIO 设备都有其自己的文件夹。这些文件夹的名称是 gpio 加上引脚编号，例如 /sys/class/gpio/gpio41 表示引脚编号为 41的引脚，即 GPIO1_B1_d。您可使用如下命令查看：
# echo 41 > /sys/class/gpio/export
# ls /sys/class/gpio/
gpio41 gpiochip96 gpiochip0 gpiochip128 unexport export gpiochip32
2.4 设备属性
在这些设备目录中，您还可以找到与 GPIO 引脚相关的控制文件，包括方向、值和中断等。每个GPIO设备目录中都包含一组属性文件，这些属性文件用于配置和管理GPIO引脚。您可以在GPIO设备目录中使用如下命令查看：
查看gpio41设备的属性文件
# echo 41 > /sys/class/gpio/export
# cd /sys/class/gpio/gpio41
# ls
value power subsystem active_low
uevent edge device direction属性文件
通过使用这些属性文件，您可以轻松地配置和控制GPIO引脚，使其适应不同的应用场景和需求。其中一些关键的属性包括：
- 方向（direction）：
- 配置为输入：in
- 配置为输出：out
- 值（value）：
- 输出低电平：0
- 输出高电平：1
- 中断边沿（edge）：
- 上升沿触发：rising
- 下降沿触发：falling
- 双边沿触发：both
- 禁用中断：none
- 方向（direction）：
2.5 控制GPIO引脚电平
设备的属性文件就相当于一个函数的参数接口。对于 /sys/class/gpio/gpio41/value ，每次对文件执行写入操作时，会触发驱动代码，使用这次写入的内容作为参数来修改 gpio41 的引脚电平；而每次读取操作时，则触发驱动代码将当前 gpio55 的引脚电平更新到 /sys/class/gpio/gpio41/value 文件。
导出gpio41到用户空间
echo 41 > /sys/class/gpio/export读取 GPIO1_B1_d 引脚电平
echo 41 > /sys/class/gpio/export
echo in > /sys/class/gpio/gpio41/direction
cat /sys/class/gpio/gpio41/value控制 GPIO1_B1_d 引脚电平
echo out > /sys/class/gpio/gpio41/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio41/value
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio41/value取消导出gpio41到用户空间
echo 41 > /sys/class/gpio/unexport
3.控制GPIO（Python程序）
在前文中，我们演示了使用 echo 命令修改设备文件，以达到控制设备的目的。接下来，我们将使用 Python 程序实现 GPIO 的控制。
3.1 完整代码
通过以下程序，可以实现 GPIO 引脚的电平控制和读取。
from periphery import GPIO
import time
Write_Pin = 41
Read_Pin = 40
Write_GPIO = GPIO(Write_Pin, "out")
Read_GPIO = GPIO(Read_Pin, "in")
try:
while True:
try:
Write_GPIO.write(True)
pin_state = Read_GPIO.read()
print(f"Pin state: {pin_state}")
Write_GPIO.write(False)
pin_state = Read_GPIO.read()
print(f"Pin state: {pin_state}")
time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
Write_GPIO.write(False)
break
except IOError:
print("Error")
finally:
Write_GPIO.close()
Read_GPIO.close()
3.2 配置GPIO方向
这段代码使用 periphery 库在 Python 中打开两个 GPIO 引脚，Write_GPIO 用于输出，Read_GPIO 用于输入。
Write_GPIO = GPIO(Write_Pin, "out")
Read_GPIO = GPIO(Read_Pin, "in")
3.3 控制引脚输出电平
这段代码使用 Write_GPIO 对象将逻辑值 True 写入 GPIO 引脚实现引脚输出高电平，将逻辑值 False 写入 GPIO 引脚实现引脚输出低电平。
Write_GPIO.write(True)
....
Write_GPIO.write(False)
3.4 控制引脚读取电平
这段代码通过读取 Read_GPIO 引脚的状态，并将其打印出来。Read_GPIO.read() 返回引脚的电平状态（高电平为 True，低电平为 False）。
pin_state = Read_GPIO.read()
print(f"Pin state: {pin_state}")
3.5 运行程序
使用 nano 工具在终端创建 py 文件，粘贴并保存 python 程序
# nano gpio.py运行程序
# python3 gpio.py实验现象
41、40引脚无连接：
41、40引脚相接：
4.控制GPIO（C程序）
在前文中，我们演示了如何使用 echo 命令和 Python 程序控制GPIO。实际上也可以使用 vi 编辑器对文件进行修改，修改时需注意用户权限。此外，我们还可以使用C库函数或系统调用来读写设备文件，以达到控制设备的目的。请注意，为了在特定的嵌入式系统上运行程序，通常需要使用交叉编译工具来编译代码，以生成可在目标开发板上执行的可执行文件。接下来，让我们一起探讨具体的实施步骤。
4.1 完整代码
通过以下程序，可以实现 GPIO 引脚的电平控制。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main() {
int gpio_pin;
printf("Please enter the GPIO pin number: ");
scanf("%d", &gpio_pin);
FILE *export_file = fopen("/sys/class/gpio/export", "w");
if (export_file == NULL) {
perror("Failed to open GPIO export file");
return -1;
}
fprintf(export_file, "%d", gpio_pin);
fclose(export_file);
char direction_path[50];
snprintf(direction_path, sizeof(direction_path), "/sys/class/gpio/gpio%d/direction", gpio_pin);
FILE *direction_file = fopen(direction_path, "w");
if (direction_file == NULL) {
perror("Failed to open GPIO direction file");
return -1;
}
fprintf(direction_file, "out");
fclose(direction_file);
char value_path[50];
char cat_command[100];
snprintf(value_path, sizeof(value_path), "/sys/class/gpio/gpio%d/value", gpio_pin);
snprintf(cat_command, sizeof(cat_command), "cat %s", value_path);
FILE *value_file = fopen(value_path, "w");
if (value_file == NULL) {
perror("Failed to open GPIO value file");
return -1;
}
for (int i = 0; i < 3; i++) {
fprintf(value_file, "1");
fflush(value_file);
system(cat_command);
sleep(1);
fprintf(value_file, "0");
fflush(value_file);
system(cat_command);
sleep(1);
}
fclose(value_file);
FILE *unexport_file = fopen("/sys/class/gpio/unexport", "w");
if (unexport_file == NULL) {
perror("Failed to open GPIO unexport file");
return -1;
}
fprintf(unexport_file, "%d", gpio_pin);
fclose(unexport_file);
return 0;
}
4.2 导出引脚到用户空间
这段代码通过读取用户输入的引脚编号，打开 /sys/class/gpio/export 文件，并写入该编号，实现了 GPIO 引脚的导出操作。
printf("Please enter the GPIO pin number: ");
scanf("%d", &gpio_pin);
FILE *export_file = fopen("/sys/class/gpio/export", "w");
if (export_file == NULL) {
perror("Failed to open GPIO export file");
return -1;
}
fprintf(export_file, "%d", gpio_pin);
fclose(export_file);
4.3 配置GPIO方向
这段代码通过打开 /sys/class/gpio/gpiox/direction 文件，并写入 "out"，确保了 GPIO 引脚被设置为输出模式。如需配置为输入模式，则写入 “in”。
char direction_path[50];
snprintf(direction_path, sizeof(direction_path), "/sys/class/gpio/gpio%d/direction", gpio_pin);
FILE *direction_file = fopen(direction_path, "w");
if (direction_file == NULL) {
perror("Failed to open GPIO direction file");
return -1;
}
fprintf(direction_file, "out");
fclose(direction_file);
4.4 控制引脚输出电平
这段代码用于控制 GPIO 引脚的电平。首先，需要打开 /sys/class/gpio/gpiox/value 文件，该文件用于设置 GPIO 引脚的电平值。在一个循环中，我们通过向文件依次写入 “1” 和 “0” 实现对引脚的控制，再调用 cat 命令查看 value 中存储的值，检查是否写入成功。
注意，标准C库通常使用缓冲区来提高文件操作的效率，而不是每次写入都立即将数据写入磁盘文件。这就意味着，尽管你调用了 fprintf 来写入数据，数据实际上可能会被暂时保存在缓冲区中，并且不会立即写入文件。如果你希望确保数据被立即写入文件，你可以使用 fflush 函数来刷新缓冲区，这样可以强制将缓冲区中的数据写入文件，或每次都使用 fopen->fprintf->fclose 的方式写入。
char value_path[50];
char cat_command[100];
snprintf(value_path, sizeof(value_path), "/sys/class/gpio/gpio%d/value", gpio_pin);
snprintf(cat_command, sizeof(cat_command), "cat %s", value_path);
FILE *value_file = fopen(value_path, "w");
if (value_file == NULL) {
perror("Failed to open GPIO value file");
return -1;
}
for (int i = 0; i < 3; i++) {
fprintf(value_file, "1");
fflush(value_file);
system(cat_command);
sleep(1);
fprintf(value_file, "0");
fflush(value_file);
system(cat_command);
sleep(1);
}
fclose(value_file);
4.5 取消导出引脚
这段代码通过打开 /sys/class/gpio/unexport 文件，并写入 GPIO 引脚的编号，实现了 GPIO 引脚的取消导出操作。
FILE *unexport_file = fopen("/sys/class/gpio/unexport", "w");
if (unexport_file == NULL) {
perror("Failed to open GPIO unexport file");
return -1;
}
fprintf(unexport_file, "%d", gpio_pin);
fclose(unexport_file);
4.6 交叉编译
指定交叉编译工具
首先，我们要将交叉编译工具的路径添加到系统的
PATH环境变量中，以便可以在任何地方使用交叉编译工具，您可以在shell配置文件中添加以下行（通常是~/.bashrc或~/.bash_profile或~/.zshrc，具体取决于您使用的shell），注意PATH=后的路径为交叉编译工具所在的目录。gcc路径
<SDK Directory>/tools/linux/toolchain/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf/bin/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf-gcc打开shell配置文件
vi ~/.bashrc将交叉编译工具的路径添加到系统的PATH环境变量中，将 <SDK Directory> 修改为自己的 SDK 路径，如
/home/luckfox/luckfox-pico/export PATH=<SDK Directory>/tools/linux/toolchain/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf/bin:$PATH重新加载shell配置文件，使更改生效
source ~/.bashrc
使用交叉编译工具编译程序
arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf-gcc gpio.c -o gpio交叉编译成功后，将在当前目录下生成可在开发板运行的可执行文件
# ls
gpio gpio.c
4.7 运行程序
文件传输
先将
gpio从虚拟机传输到 Windows，再通过 TFTP 或 ADB 传输到开发板，将文件从 Windows 通过 ADB 将文件传输到开发板的步骤如下：adb push 文件所在路径 开发板存储路径
eg:(将当前目录下gpio文件传输到开发板的根目录)
adb push gpio /运行程序
修改
gpio文件的操作权限后运行程序# chmod 777 gpio
# ./gpio实验现象
成功实现电平翻转：
