树莓派GPIO驱动原理
1.前言
最近认真学习了树莓派，从浅到深认真分析了wiringPi实现代码，借助树莓派学习linux收获颇丰。深入学习linux一段时间后发现它非常有魅力，一个简单的IO口输出操作尽有那么多的“玩法”。wiringPi是一个简单易用的函数库，通过wiringPi可以扩展SPI和I2C等芯片，关于wiringPi的介绍和安装请参考我的另一篇【 博文 】。本篇博文将通过一个简单的例子呈现wiringPi的使用，虽然例子简单但会深入分析wiringPi内部实现代码。
【 树莓派学习笔记——索引博文 】
2.BCM2835 GPIO相关寄存器
树莓派平台的GPIO驱动，例如RPi.GPIO和WiringPi均采用直接操作GPIO寄存器的方式，树莓派的CPU采用博通的BCM2835，想要更好的了解树莓派的GPIO驱动实现就必须阅读BCM2835的数据手册。在BCM2835数据手册中需要认真关注两个内容：外设寄存器物理地址和外设虚拟地址的映射关系。 在linux操作系统中，借助ARM内部的MMU，CPU外设物理地址映射成了虚拟地址，外设的物理起始地址为0x7E000000，被MMU虚拟之后的起始地址为0x20000000。以此类推，GPIO外设物理起始地址为0x7E00000+0x200000，被MMU虚拟之后的GPIO外设地址为0x2000000+0x200000。那么对于linux系统而言， GPIO相关操作的起始地址为0x22000000。 BCM2835的内部映射关系如下图所示。
图1 BCM2835 物理地址和虚拟地址映射关系
GPFSELx、GPSETx、GPCLRx和GPLEVn寄存器。 简单来说，GPFSELx为IO口方向或复用寄存器，负责IO口方向例如输入或输出；GPSETx为IO口输出寄存器，负责IO口输出逻辑高电平；GPCLRx寄存器同为IO口输出寄存器，不过和GPSETx相反，负责输出逻辑低电平。GPLEVx为IO口输入寄存器，负责IO口输入状态。
（亲爱的网友们，如果您不理解这些寄存器也不理解MMU机制，也不会影响您使用wiringPi。请放心大胆地使用wiringPi，它已经帮你完成了很多基础性的工作）
3.简单测试代码
下面通过一个简单的代码实现树莓派流水灯，在树莓派（树莓派版本2）中可以直接利用的IO口共有8个， 在wiringPi中的编号为GPIO0到GPIO7，对于BCM2835而言编号分别为17, 18, 27, 22, 23, 24, 25, 4。 具体对应关系见下图。
图2 wiringPi GPIO 和 BCM2835 GPIO映射关系
[cpp] view
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#include
int main( )
{
// 初始化wiringPi
wiringPiSetup();
int i = 0;
// 设置IO口全部为输出状态
for( i = 0 ; i < 8 ; i++ )
pinMode(i, OUTPUT);
for (;;)
{
for( i = 0 ; i < 8 ; i++ )
{
// 点亮500ms 熄灭500ms
digitalWrite(i, HIGH); delay(500);
digitalWrite(i, LOW); delay(500);
}
}
return 0;
}
为了方便生成可执行文件，可编写以下makefile文件，CD进入该目录之后直接make即可。
[cpp] view
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blink:blink.o
gcc blink.c -o blink -lwiringPi
clean:
rm -f blink blink.o
图3 代码运行结果
4.代码详解
上面的代码非常简单，可以分为四个部分—— wiringPiSetupi初始化、pinMode设置IO为输出方向、digitalWrite输出高电平或低电平和delay系统延时函数。4.1 wiringPiSetup
[cpp] viewplain copy
int wiringPiSetup (void)
{
int fd ;
int boardRev ;
// 第一步，获得树莓派的版本编号，并根据版本编号映射IO口
boardRev = piBoardRev () ;
if (boardRev == 1)
{
pinToGpio = pinToGpioR1 ;
physToGpio = physToGpioR1 ;
}
else
{
pinToGpio = pinToGpioR2 ;
physToGpio = physToGpioR2 ;
}
// 第二步，打开/dev/mem设备，使得在用户空间可以直接操作内存地址
if ((fd = open ("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC | O_CLOEXEC) ) < 0)
return wiringPiFailure (WPI_ALMOST, "wiringPiSetup: Unable to open /dev/mem: %s\n", strerror (errno)) ;
gpio = (uint32_t *)mmap(0, BLOCK_SIZE, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, GPIO_BASE) ;
if ((int32_t)gpio == -1)
return wiringPiFailure (WPI_ALMOST, "wiringPiSetup: mmap (GPIO) failed: %s\n", strerror (errno)) ;
// 第三步，设定wiringPi GPIO外设的操作模式
wiringPiMode = WPI_MODE_PINS ;
return 0 ;
}
该部分代码的实现可以分为三步（注意该部分并不是wiringPiSetup的完整代码，为了说明问题对代码进行简化）
第一步，获得树莓派的版本编号，并根据版本编号映射IO口。 pinToGpioR2为树莓派版本2的GPIO映射关系，不但包括GPIO，还包括SPI、I2C和UART等。此处physToGpioRx存在疑问。
第二步，打开/dev/mem设备，使得在用户空间可以直接操作内存地址。 /dev/mem是物理内存的全映像，可以用来访问物理内存（能够访问物理内存当然也包括MCU外设），一般用法是open("/dev/mem",O_RDWR|O_SYNC)，接着可以用mmap的地址来访问物理内存（此处为GPIO_BASE），这是实现用户空间驱动的一种方法【 参考博文 】。（该部分需要深入，请关注后期博文）
第三步，设定wiringPi GPIO外设的操作模式。 此处也存在若干疑惑，默认情况便是使用WPI_MODE_PINS 模式，wiringPi的IO管脚编号和BCM IO管脚编号存在一个固定映射关系，但是wiringPi其他代码中还存在wiringPiSetupSys函数，该函数操作GPIO端口时通过/sys/class/gpio中的驱动文件实现，这也是实现树莓派GPIO操作的另一个途径。这种方法便是应用Sysfs——Sysfs
是 Linux 2.6 所提供的一种虚拟文件系统，这个文件系统不仅可以把设备（devices）和驱动程序(drivers) 的信息从内核输出到 用户空间，也可以用来对设备和驱动程序做设置【 wiki百科 】。（该部分需要深入，请关注后期博文）。
[cpp] view
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int wiringPiSetupSys (void)
{
int boardRev ;
int pin ;
char fName [128] ;
// 获得树莓派版本编号，版本1或者版本2
boardRev = piBoardRev () ;
if (boardRev == 1)
{
pinToGpio = pinToGpioR1 ;
physToGpio = physToGpioR1 ;
}
else
{
pinToGpio = pinToGpioR2 ;
physToGpio = physToGpioR2 ;
}
// 查找/sys/class/gpio，并记录GPIOx操作文件fd
for (pin = 0 ; pin < 64 ; ++pin)
{
sprintf (fName, "/sys/class/gpio/gpio%d/value", pin) ;
sysFds [pin] = open (fName, O_RDWR) ;
}
// 设置操作模式为 sysfs模式 文件方式驱动GPIO而非寄存器方式
wiringPiMode = WPI_MODE_GPIO_SYS ;
return 0 ;
}
4.2 pinMode
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void pinMode (int pin, int mode)
{
int fSel, shift, alt ;
struct wiringPiNodeStruct *node = wiringPiNodes ;
// 树莓派 板载GPIO设置，板载GPIO的管脚编号必须小于64
if ((pin & PI_GPIO_MASK) == 0)
{
// 第一步 确定BCM GPIO引脚编号
if (wiringPiMode == WPI_MODE_PINS)
pin = pinToGpio [pin] ;
// 第二步，确定该管脚对应的fsel寄存器
fSel = gpioToGPFSEL [pin] ;
shift = gpioToShift [pin] ;
// 第三步，根据输入和输出状态设置fsel寄存器
if (mode == INPUT)
*(gpio + fSel) = (*(gpio + fSel) & ~(7 << shift)) ;
else if (mode == OUTPUT)
*(gpio + fSel) = (*(gpio + fSel) & ~(7 << shift)) | (1 << shift) ;
}
// 树莓派 外扩GPIO设置
else
{
if ((node = wiringPiFindNode (pin)) != NULL)
node->pinMode (node, pin, mode) ;
return ;
}
}
该部分代码的实现可以分为三步（注意该部分并不是pinMode 的完整代码，为了说明问题对代码进行简化）
【注意】在wiringPi中，pin编号小于64认为是板载GPIO，如果编号大于64则认为是外扩GPIO，例如使用外扩的MCP23017或者PCF8574，同时外扩的AD和DA芯片的相应pin也应该大于64。
第一步，确定BCM GPIO引脚编号。 如果是树莓派2版本，那么映射关系由数组pinToGpioR2决定
[cpp] view
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static int pinToGpioR2 [64] =
{
17, 18, 27, 22, 23, 24, 25, 4, // GPIO 0 through 7: wpi 0 - 7
2, 3, // I2C - SDA0, SCL0 wpi 8 - 9
8, 7, // SPI - CE1, CE0 wpi 10 - 11
10, 9, 11, // SPI - MOSI, MISO, SCLK wpi 12 - 14
14, 15, // UART - Tx, Rx wpi 15 - 16
28, 29, 30, 31, // New GPIOs 8 though 11 wpi 17 - 20
} ;
第二步，根据输入和输出状态设置fsel寄存器 。 作者采用简单明了的查表法，在一个FSEL寄存器中共可设置10个GPIO管脚。具体的含义可查看数据手册和gpioToGPFSEL、gpioToShift的具体定义
[cpp] view
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static uint8_t gpioToGPFSEL [] =
{
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,
3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,
4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,
5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,
} ;
static uint8_t gpioToShift [] =
{
0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,
0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,
0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,
0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,
0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,
} ;
第三步，根据输入和输出状态设置FSEL寄存器。 结合第二步便可发现其中的设置技巧。例如操作wringPi的GPIO0对应BCM GPIO17；那么查找gpioToGPFSEL表，应操作第1个（从0开始计数）FSELl寄存器；*(gpio + fSel)中gpio指GPIO外设的虚拟起始地址，此处为0x2200000，第二个FSEL寄存器在此基础上地址偏移1。 shift决定置1或者置0的具体位，例如此时的GPIO17，对应该fsel寄存器的21位；如果是输入状态21-23位全部为0，如果是输出状态21位为1，具体代码如下：
*(gpio + fSel) = (*(gpio + fSel) & ~(7 << shift)) ; ——设置为输入IO
*(gpio + fSel) = (*(gpio + fSel) & ~(7 << shift)) | (1 << shift) ; ——设置为输出IO
图4 BCM2835 FSEL寄存器含义
4.3 digitalWrite
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void digitalWrite (int pin, int value)
{
struct wiringPiNodeStruct *node = wiringPiNodes ;
// 树莓派 板载GPIO设置，板载GPIO的管脚编号必须小于64
if ((pin & PI_GPIO_MASK) == 0)
{
// 第一步 确定BCM GPIO引脚编号
if (wiringPiMode == WPI_MODE_PINS)
pin = pinToGpio [pin] ;
// 第二步 设置高电平和低电平
if (value == LOW)
*(gpio + gpioToGPCLR [pin]) = 1 << (pin & 31) ;
else
*(gpio + gpioToGPSET [pin]) = 1 << (pin & 31) ;
}
else
{
if ((node = wiringPiFindNode (pin)) != NULL)
node->digitalWrite (node, pin, value) ;
}
}
该部分代码的实现可以分为两步（注意该部分并不是digitalWrite 的完整代码，为了说明问题对代码进行简化）
第一步，确定BCM GPIO引脚编号。
第二步，设置高电平和低电平。 该步骤用于设置GPCLR寄存器和GPSET寄存器。BCM GPIO0到GPIO31 位于GPIO Output Set Register 0 ，相对于GPIO_BASE的偏移量为7，而BCM GPIO32到GPIO53 位于GPIO Output Set Register 1，相对于GPIO_BASE的偏移量为8。例如操作wringPi的GPIO0，对应BCM
GPIO17；查找gpioToGPSET表可获得GPIO17位于GPIO Output Set Register 0寄存器，该寄存器的偏移量（相对于GPIO_BASE）为7。通过*(gpio + gpioToGPSET [pin]) = 1 << (pin & 31) ，便可设置GPIO17为输出高电平。
图5 BCM2835 SET寄存器含义
4.4 delay
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void delay (unsigned int howLong)
{
struct timespec sleeper, dummy ;
sleeper.tv_sec = (time_t)(howLong / 1000) ;
sleeper.tv_nsec = (long)(howLong % 1000) * 1000000 ;
nanosleep (&sleeper, &dummy) ;
}
delay是wiringPi提供的一个毫秒级别的延时函数，该函数通过nanosleep实现。nanosleep的声明如下：
[cpp] view
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#include
int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);
调用nanosleep使得进程挂起，直到req所设定的时间耗尽。在该函数中，req至进程最终休眠的时间而rem只剩余的休眠时间，struct timespec结构体的定义如下，
[cpp] view
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struct timespec {
time_t tv_sec; /* 秒 */
long tv_nsec; /* 纳秒 */
};
从结构体的成员来说，nanosleep似乎可以实现纳秒级别的延时，但是受到linux时钟精度的影响无法实现纳秒级别的延时，但是微妙级别的延时也可以让人接受。
5.总结
深入分析wiringPi之后收获颇丰。wiringPi可通过两种方式实现GPIO的驱动——第一，在用户空间直接操作寄存器（RAM），在用户空间操作寄存器（RAM）需要借助 /dev/mem；第二，利用/sys/class/gpio，通过操作文件的方式控制GPIO。在wiringPi中pin编号小于64为板载设备，例如GPIO0到GPIO7为板载设备，pin编号大于64为扩展设备，例如扩展的AD和DA芯片。最后可以使用nanosleep实现定时休眠。未来将利用wiringPi实现SPI和I2C设备。
6.参考资料和博文链接
6.1 【 elinux 树莓派外设驱动开发指南 】6.2 【 树莓派 GPIO入门指南 】