探索Linux GPIO驱动之路

一、概述

GPIO（General Purpose Input/Output）是通用输入输出引脚的缩写，是计算机系统中常用的一种通信接口。在Linux系统中，GPIO可以用于控制硬件设备的状态，例如开关电路、传感器等。本文将探索Linux中的GPIO驱动，介绍其原理和使用方法。

二、GPIO驱动的原理

GPIO驱动的原理是通过操作特定的寄存器来控制硬件引脚的状态。在Linux系统中，使用内核提供的GPIO框架来管理和操作GPIO引脚。在内核中，每个GPIO引脚都会对应一个唯一的编号，这个编号称为GPIO号。

通过GPIO驱动，可以实现对GPIO引脚的输入和输出控制。GPIO引脚的输入模式可以用来读取外部电平信号，而输出模式可以用来驱动外部设备。

三、Linux中的GPIO驱动

1. GPIO子系统

Linux中的GPIO驱动由GPIO子系统提供支持。在编译内核时，可以选择编译GPIO子系统的相关模块，使系统支持GPIO功能。

2. GPIO设备驱动

GPIO设备驱动是实现GPIO功能的关键组件。在Linux中，每个GPIO驱动都是一个独立的驱动模块，负责控制特定的GPIO芯片。

编写GPIO设备驱动的关键是实现驱动的probe函数和remove函数。probe函数在驱动被加载时执行，用于初始化驱动和注册GPIO设备。remove函数在驱动被卸载时执行，用于释放驱动和注销GPIO设备。

3. GPIO用户空间API

为了让用户空间程序可以使用GPIO功能，Linux提供了一组API供用户程序调用。

使用GPIO用户空间API，可以通过打开GPIO设备、设置引脚方向、读写引脚状态等方式来控制GPIO引脚。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/gpio.h>
int main() {
    int fd = open("/dev/gpiochip0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open GPIO device");
        return -1;
    }
    struct gpiochip_info info;
    int ret = ioctl(fd, GPIO_GET_CHIPINFO_IOCTL, &info);
    if (ret < 0) {
        perror("Failed to get GPIO chip info");
        close(fd);
        return -1;
    }
    printf("GPIO chip name: %s\n", info.name);
    close(fd);
    return 0;
}

上述示例代码是使用GPIO用户空间API获取GPIO芯片信息的简单例子。通过打开GPIO设备文件，然后调用ioctl函数获取GPIO芯片信息。

四、GPIO驱动的应用

1. 控制LED灯

通过GPIO驱动可以实现对LED灯的控制。将LED连接到一个GPIO引脚，通过设置引脚的输出状态来控制LED的亮灭。

下面是一个简单的控制LED的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/gpio.h>
#define LED_GPIO 10
int main() {
    int fd = open("/dev/gpiochip0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open GPIO device");
        return -1;
    }
    struct gpiohandle_request req;
    req.lineoffsets[0] = LED_GPIO;
    req.flags = GPIOHANDLE_REQUEST_OUTPUT;
    req.lines = 1;
    req.default_values[0] = 0;
    req.consumer_label = "LED";
    int ret = ioctl(fd, GPIO_GET_LINEHANDLE_IOCTL, &req);
    if (ret < 0) {
        perror("Failed to get GPIO line handle");
        close(fd);
        return -1;
    }
    struct gpiohandle_data data;
    data.values[0] = 1;
    ret = ioctl(req.fd, GPIOHANDLE_SET_LINE_VALUES_IOCTL, &data);
    if (ret < 0) {
        perror("Failed to set GPIO line values");
        close(fd);
        return -1;
    }
    sleep(1);
    data.values[0] = 0;
    ret = ioctl(req.fd, GPIOHANDLE_SET_LINE_VALUES_IOCTL, &data);
    if (ret < 0) {
        perror("Failed to set GPIO line values");
        close(fd);
        return -1;
    }
    close(req.fd);
    close(fd);
    return 0;
}

上述示例代码通过GPIO用户空间API来控制GPIO引脚的输出状态，从而控制LED的亮灭。首先通过ioctl函数获取GPIO line handle，然后调用ioctl设置引脚的输出状态。

2. 读取按钮状态

通过GPIO驱动可以实现对按钮状态的读取。将按钮连接到一个GPIO引脚，通过设置引脚的输入模式和读取引脚状态来获取按钮的状态。

下面是一个简单的读取按钮状态的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/gpio.h>
#define BUTTON_GPIO 5
int main() {
    int fd = open("/dev/gpiochip0", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open GPIO device");
        return -1;
    }
    struct gpiohandle_request req;
    req.lineoffsets[0] = BUTTON_GPIO;
    req.flags = GPIOHANDLE_REQUEST_INPUT;
    req.lines = 1;
    req.default_values[0] = 0;
    req.consumer_label = "Button";
    int ret = ioctl(fd, GPIO_GET_LINEHANDLE_IOCTL, &req);
    if (ret < 0) {
        perror("Failed to get GPIO line handle");
        close(fd);
        return -1;
    }
    struct gpiohandle_data data;
    ret = ioctl(req.fd, GPIOHANDLE_GET_LINE_VALUES_IOCTL, &data);
    if (ret < 0) {
        perror("Failed to get GPIO line values");
        close(fd);
        return -1;
    }
    printf("Button status: %d\n", data.values[0]);
    close(req.fd);
    close(fd);
    return 0;
}

上述示例代码通过GPIO用户空间API来读取GPIO引脚的状态，从而获取按钮的状态。首先通过ioctl函数获取GPIO line handle，然后调用ioctl函数读取引脚的状态。

总结

本文介绍了Linux中GPIO驱动的原理和使用方法。通过GPIO驱动，可以实现对GPIO引脚的输入和输出控制，例如控制LED灯和读取按钮状态等。通过掌握GPIO驱动的原理和使用方法，可以实现更多有趣的应用。