在Linux中控制GPIO

  1. 1. 旧方法:sysfs 接口
  2. 2. 新方法:chardev 接口
  3. 3. 相关库

在 MCU 中,最基本的功能莫过于对 GPIO 的控制,但是在 Linux 中,我们要怎样才能通过代码实现对芯片的控制呢?经过了一天的折腾,我终于找到了使用 C 语言的正确打开方式。

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旧方法:sysfs 接口

直到 Linux 4.7 之前,在用户空间,只能通过 sysfs 中的 /sys/class/gpio 接口去访问 GPIO。举个例子,如果你想将一个引脚置 1,你需要:

  1. 找到引脚对应的编号。
  2. /sys/class/gpio/export 写入引脚编号以导出引脚。
  3. /sys/class/gpio/gpioX/direction 写入 out,将引脚配置为输出模式。
  4. /sys/class/gpio/gpioX/value 写入 1,将引脚置 1。

大致命令如下:

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# echo 504 > /sys/class/gpio/export
# echo out > /sys/class/gpio/gpio504/direction
# echo 1 > /sys/class/gpio/gpio504/value

这个方法看起来很简单,但是有几个缺点:

  • GPIO 引脚的分配不与任何进程绑定,所以如果使用 GPIO 的进程结束执行或崩溃,GPIO 引脚可能会继续存在。
  • 我们可以有多个进程访问同一 GPIO 引脚,所以并发性可能是个问题。
  • 写入多个引脚将需要对很多文件进行 open()/read()/write()/close() 操作(导出、方向、值等)。
  • 捕捉事件(来自 GPIO 引脚的中断)的轮询过程不可靠。
  • 没有配置 GPIO 引脚的接口(漏极开路等)。
  • 分配给 GPIO 引脚的数字不稳定。

新方法:chardev 接口

Linux 4.8 起,GPIO 的 sysfs 接口就被弃用了,现在我们有可以船新的基于字符设备的 API ,以便我们从用户空间去访问 GPIO 接口。

每个 GPIO 控制器(gpiochip)会在 /dev 中有一个字符设备,并且我们可以使用文件操作(open(), read(), write(), ioctl(), poll(), close())去访问 GPIO 引脚。

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# ls /dev/gpiochip* 
/dev/gpiochip0

尽管新的字符设备接口不允许使用标准的命令行指令去控制 GPIO,例如catecho,但相比 sysfs 接口,它有一些好处:

  • GPIO 的分配与使用它的进程挂钩,提高了对用户空间进程使用了哪些 GPIO 引脚的控制。
  • 可以同时对多条 GPIO 引脚进行读或写。
  • 可以通过名称找到 GPIO 控制器和 GPIO 引脚。
  • 可以配置引脚的状态(漏极开路等)。
  • 捕捉事件(来自 GPIO 引脚的中断)的轮询过程是可靠的。

相关库

为了访问字符设备接口,libgpiod 提供了一系列的 API 和工具。

在使用 Buildroot 构建根文件系统时,执行 make menuconfig,可以在如下位置找到 libgpiod 这个库:

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Target packages 
-> Libraries
-> Hardware handling
[*] libgpiod
[*] install tools

配置结束后,构建根文件系统,得到交叉编译的工具链,我们就可以使用 libgpiod 了。

下面是一份闪灯的代码:

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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#include <gpiod.h>

#define msleep(t) usleep((t)*1000)

int main(int argc, char const *argv[])
{
struct gpiod_chip *chip;
struct gpiod_line *line;
struct gpiod_line_request_config config;
int req;

/* 打开 GPIO 控制器 */
chip = gpiod_chip_open("/dev/gpiochip0");
if (!chip)
return -1;

/* 获取指定引脚 */
line = gpiod_chip_get_line(chip, 3);

if (!line)
{
gpiod_chip_close(chip);
return -1;
}

config.consumer = "blink";
config.flags = GPIOD_LINE_ACTIVE_STATE_LOW; // 低电平激活
config.request_type = GPIOD_LINE_REQUEST_DIRECTION_OUTPUT; // 输出模式

/* 配置引脚 */
req = gpiod_line_request(line, &config, 0);
if (req)
{
fprintf(stderr, "gpio line request error.\n");
return -1;
}

while (1)
{
/* 设置引脚电平 */
gpiod_line_set_value(line, 1);
printf("set line to 0\n");
msleep(500);
gpiod_line_set_value(line, 0);
printf("set line to 1\n");
msleep(500);
}

return 0;
}

如果不想写代码,也可以用前面提到的工具去控制 GPIO:

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# gpio
gpiodetect gpiofind gpioget gpioinfo gpiomon gpioset

设置和获取引脚的电平:

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# gpioset gpiochip0 3=1
# gpioset gpiochip0 3=0
# gpioget gpiochip0 3
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