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GPIO

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.GPIO 控制（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。更多详细功能请参考《资料下载》部分的 40pin 引脚图或 Datasheet 手册。LuckFox Omni3576 引脚图：

2.2 GPIO 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：GPIO0GPIO4，每个 bank 分为4组，共有32个 pin：A0A7, B0B7, C0C7, 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 ~ D7

  • GPIO 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 GPIO2_D7_d 为例说明，其中：

    • bank ：2
    • group ：3 (A=0, B=1, C=2, D=3)
    • X ：7

    所以 GPIO2_D7_d 的引脚编号为：2 x 32 + ( 3x 8 + 7) = 95

2.3 使用 GPIO sysfs 接口控制 I/O​

  1. 将 GPIO 控制从内核空间导出到用户空间（只写）。

    sudo su
    echo 95 > /sys/class/gpio/export

  2. 取消 GPIO 控制从内核空间到用户空间的导出（只写）。

    echo 95 > /sys/class/gpio/unexport

2.3.1 设备目录和设备属性​

  1. 当你写入 GPIO 编号到 /sys/class/gpio/export 时，内核会将这个 GPIO 导出到用户空间，使之可以通过 /sys/class/gpio/gpio<编号> 目录来进行后续操作（如配置方向、设置或读取电平）。

    root@luckfox:/home/luckfox# ls /sys/class/gpio
    export  gpio95  gpiochip0  gpiochip128  gpiochip32  gpiochip509  gpiochip64  gpiochip96  unexport

  2. 在 /sys/class/gpio/gpioN（N=1,2,3,5,...）设备目录下有多种属性，可以通过这些属性控制，从而实现对 GPIO 的控制。

    cd /sys/class/gpio/gpio95
    root@luckfox:/sys/class/gpio/gpio95# ls
    active_low  device  direction  edge  power  subsystem  uevent  value
    • direction属性：设置 GPIO 的输入（in）或输出（out）
    • value属性：用于读取输入电平或者控制输出电平，写入或者读取到1表示高电平，写入或者读取到0表示低电平
    • edge属性：用于设置触发电平，只有将 GPIO 设置为中断的时候才会出现和使用这个属性
      • 上升沿触发：rising
      • 下降沿触发：falling
      • 双边沿触发：both
      • 禁用中断：none

2.3.2 控制 GPIO 引脚电平​

  1. 设置方向。

    root@luckfox:/sys/class/gpio/gpio95# pwd   # 确保自己在想控制的设备目录下
    /sys/class/gpio/gpio95

    echo out > direction                       # 设置 GPIO 为输出
    echo in > direction                        # 设置 GPIO 为输入

  2. 设置value属性来控制 GPIO 电平。

    #输出
    echo 1 > value
    echo 0 > value

    # 输入
    cat value

  3. 注意：可能遇到的错误：

    root@luckfox:~# echo 72 > /sys/class/gpio/export
    bash: echo: write error: Device or resource busy
    • Linux 驱动调试中可能遇到 gpio 无法申请的问题，需要查找 gpio 被哪个驱动占用
    mount -t  debugfs none /media
    cat /media/gpio

    root@luckfox:/# cat /media/gpio
    gpiochip0: GPIOs 0-31, parent: platform/27320000.gpio, gpio0:
     gpio-9   (                    |bt_default_wake_host) in  lo IRQ
     gpio-14  (                    |reset               ) out lo ACTIVE LOW

    gpiochip1: GPIOs 32-63, parent: platform/2ae10000.gpio, gpio1:
     gpio-50  (                    |bt_default_rts      ) out lo
     gpio-55  (                    |vcc5v0-host         ) out hi
     gpio-60  (                    |bt_default_wake     ) out hi
     gpio-61  (                    |work                ) out hi

    gpiochip2: GPIOs 64-95, parent: platform/2ae20000.gpio, gpio2:

    gpiochip3: GPIOs 96-127, parent: platform/2ae30000.gpio, gpio3:
     gpio-104 (                    |GTP RST PORT        ) in  hi
     gpio-118 (                    |led                 ) out hi ACTIVE LOW
     gpio-120 (                    |led                 ) out hi ACTIVE LOW
     gpio-125 (                    |vbus5v0-typec       ) out lo
     gpio-127 (                    |reset               ) out lo ACTIVE LOW

    gpiochip4: GPIOs 128-159, parent: platform/2ae40000.gpio, gpio4:
     gpio-128 (                    |vcc3v3-m2           ) out hi
     gpio-148 (                    |sbu1-dc             ) out lo
     gpio-149 (                    |sbu2-dc             ) out hi

    gpiochip5: GPIOs 509-511, parent: platform/rk806-pinctrl.1.auto, rk806-gpio, can sleep:

3. 使用 Python 程序控制 I/O​

  1. 控制一颗 LED 交替闪烁。

    #!/usr/bin/python3
    from periphery import GPIO
    import time

    LED_Pin = 95

    LED_GPIO = GPIO(LED_Pin, "out")

    while True:
        try:
            LED_GPIO.write(True)
            time.sleep(0.5)
            LED_GPIO.write(False)
            time.sleep(0.5)
        except KeyboardInterrupt:
            LED_GPIO.write(False)
            break
        except IOError:
            print ("Error")

    LED_GPIO.close()

  2. 运行程序：

    chmod 777 gpio.py
    ./gpio.py

4. 使用 C 程序控制 I/O​

  1. 下载并解压 C 程序文件，将文件上传到 Omni3576 中（可以参考Samba文件共享）。

  2. 进入工程文件夹，在工程中有sysfs_gpio.c、sysfs_gpio.h、main.c 和 Makefile 四个文件：

    linaro@linaro-alip:~$ cd Luckfox_GPIO_C && ls
    main.c  Makefile  sysfs_gpio.c  sysfs_gpio.h
    linaro@linaro-alip:~/Luckfox_GPIO_C$

  3. 在 sysfs_gpio.h 文件中定义了 Omni3576 的引脚物理编码，并且在主函数 main.c 中调用，可根据自己需求修改：

    #sysfs_gpio.h
    ....
    #define I2C0_SDA  18  // 3,18
    #define I2C0_SCL  17  // 5,17
    #define UART8_TX  70  // 7,70
    #define GPIO17    98  //11,98
    #define GPIO27    99  //13,99
    #define GPIO22    13  //15.13
    #define SPI0_MOSI 24  //19,24
    #define SPI0_MISO 25  //21,25
    #define SPI0_CLK  23  //23,23
    #define I2C8_SDA  79  //27,79
    #define UART8_RX  71  //29,71
    #define GPIO6    151  //31,151
    #define GPIO13    97  //33,97
    #define SPI4_MISO 138 //35,138
    #define GPIO26    72  //37,72
    #define UART2_TX  141 //8,141
    #define UART2_RX  140 //10,140
    #define PWM2      27  //12,27
    #define GPIO23    12  //16,12
    #define GPIO24    21  //18,21
    #define GPIO25    77  //22,77
    #define SPI0_CS0  22  //24,22
    #define SPI0_CS1  19  //26,19
    #define I2C8_SCL  78  //28,78
    #define GPIO12    96  //32,96
    #define GPIO16    95  //36,95
    #define SPI4_MOSI 137 //38,137
    #define SPI4_CLK  136 //40,136
    ....

    #main.c
    ....
      int x[28] = {I2C0_SDA, I2C0_SCL, UART8_TX, GPIO17, GPIO27,
        GPIO22, SPI0_MOSI, SPI0_MISO, SPI0_CLK, I2C8_SDA,UART8_RX,
        GPIO6, GPIO13, SPI4_MISO, GPIO26,UART2_TX, UART2_RX, PWM2,
        GPIO23, GPIO24, GPIO25, SPI0_CS0, SPI0_CS1, I2C8_SCL, GPIO12,
        GPIO16, SPI4_MOSI, SPI4_CLK};
    ....

  4. 编译程序：

    root@luckfox:/home/luckfox/Luckfox_GPIO_C# make
    cc -c sysfs_gpio.c -o sysfs_gpio.o
    cc -c main.c -o main.o
    cc sysfs_gpio.o main.o -o sysfs_gpio

  5. 运行程序，可以在终端上查看 GPIO信息，并逐个点亮和熄灭LED：

    root@luckfox:/home/luckfox/Luckfox_GPIO_C# ./sysfs_gpio
    Debug: Export: Pin18
    Debug: Pin18:Output
    Debug: Export: Pin17
    Debug: Pin17:Output
    Debug: Export: Pin70
    Debug: Pin70:Output
    Debug: Export: Pin98
    Debug: Pin98:Output
    Debug: Export: Pin99
    Debug: Pin99:Output
    Debug: Export: Pin13
    Debug: Pin13:Output
    Debug: Export: Pin24
    Debug: Pin24:Output
    Debug: Export: Pin25
    Debug: Pin25:Output
    Debug: Export: Pin23
    Debug: Pin23:Output
    Debug: Export: Pin79
    Debug: Pin79:Output
    Debug: Export: Pin71
    Debug: Pin71:Output
    ....

5. 设备树简介​

  1. GPIO DTS 源文件在kernel-6.10/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3576.dtsi已经定义，我们可以直接调用。

    gpio2: gpio@2ae20000 {
        compatible = "rockchip,gpio-bank";
        reg = <0x0 0x2ae20000 0x0 0x200>;
        interrupts = <GIC_SPI 161 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
        clocks = <&cru PCLK_GPIO2>, <&cru DBCLK_GPIO2>;

        gpio-controller;
        #gpio-cells = <2>;
        gpio-ranges = <&pinctrl 0 64 32>;
        interrupt-controller;
        #interrupt-cells = <2>;
    };

  2. 如果想要设置GPIO输入输出，以控制 LED 为例，可以在设备文件kernel-6.1/arch/arm64/boot/dts/rockchip/luckfox-omni3576.dts文件中定义：

    / {
            model = "Luckfox Omni3576";
            compatible = "luckfox,omni3576", "rockchip,rk3576";
            gpio2pb0:gpio2pb0 {
                pinctrl-names = "default";
                pinctrl-0 = <&gpio2_pb0>;
                gpios = <&gpio2 RK_PB0 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
            };
    };

    &pinctrl {
     gpio2-pb0 {
     	gpio2_pb0:gpio2-pb0 {
     		rockchip,pins =	<2 RK_PB0 RK_FUNC_GPIO &pcfg_pull_none>;
     	};
     };
    };

  3. 如果想要设置GPIO中断，可以在设备文件kernel-6.1/arch/arm64/boot/dts/rockchip/luckfox-omni3576.dts文件中定义：

    / {
            model = "Luckfox Omni3576";
            compatible = "luckfox,omni3576", "rockchip,rk3576";
            gpio2pb0:gpio2pb0 {
                compatible = "rockchip,gpio-bank";
                pinctrl-names = "default";
                pinctrl-0 = <&gpio2_pb0>;
                interrupt-parent = <&gpio2>;
                interrupts = <RK_PB0 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
            };
    };

    &pinctrl {
     gpio2-pb0 {
     	gpio2_pb0:gpio2-pb0 {
     		rockchip,pins =	<2 RK_PB0 RK_FUNC_GPIO &pcfg_pull_none>;
     	};
     };
    };

    • IRQ_TYPE_NONE ：无定义中断触发类型

    • IRQ_TYPE_EDGE_RISING：上升沿触发

    • IRQ_TYPE_EDGE_FALLING：下降沿触发

    • IRQ_TYPE_EDGE_BOTH：上升沿和下降沿都触发

    • IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH：高电平触发

    • IRQ_TYPE_LEVEL_LOW ：低电平触发