RK3568驱动指南｜第十二篇 GPIO子系统-第129章 GPIO控制和操作实验
瑞芯微RK3568芯片是一款定位中高端的通用型SOC，采用22nm制程工艺，搭载一颗四核Cortex-A55处理器和Mali G52 2EE 图形处理器。RK3568 支持4K 解码和 1080P 编码，支持SATA/PCIE/USB3.0 外围接口。RK3568内置独立NPU，可用于轻量级人工智能应用。RK3568 支持安卓 11 和 linux 系统，主要面向物联网网关、NVR 存储、工控平板、工业检测、工控盒、卡拉 OK、云终端、车载中控等行业。
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第129章 GPIO控制和操作实验
GPIO软件编程方式有多种，可以写驱动程序调用GPIO函数操作GPIO，也可以直接通过操作寄存器的方式操作GPIO，还可以通过sysfs方式实现对GPIO的控制。本章节我们来学习使用sysfs方式实现对GPIO的控制。
129.1 使用命令通过sysfs文件系统控制GPIO
129.1.1 内核配置
使用sysfs方式控制gpio，首先需要底层驱动的支持，需要在make menuconfig图形化配置界面中加入以下配置：
Device Drivers
->GPIO Support
->/sys/class/gpio/xxxx
图 129-1
129.1.2 GPIO编号计算
iTOP-RK3568有 5 组 GPIO bank：GPIO0~GPIO4，每组又以 A0~A7, B0~B7, C0~C7, D0~D7 作为编号区分,常用以下公式计算引脚：
GPIO pin脚计算公式：pin = bank * 32 + number //bank为组号，number为小组编号
GPIO 小组编号计算公式：number = group * 8 + X 引脚编号=控制寄存器的寄存器基数+控制引脚寄存器位数。 在 rk3568 中， GPIO_number的计算方法为： n*32 + (K-A)*8 + x; 括号里面的 A、 B、 C、 D 分别代表数值 0、 1、 2、 3， 在计算时候分别对应即可。
下面演示LED9用户LED灯的GPIO0_PB7 pin脚计算方法：
bank = 0; //GPIO0_B7=> 0, bank ∈ [0,4]
group = 1; //GPIO0_B7 => 1, group ∈ {(A=0), (B=1), (C=2), (D=3)}
X = 7; //GPIO4_D7 => 5, X ∈ [0,7]
number = group * 8 + X = 1 * 8 + 7 =15
pin = bank*32 + number= 0 * 32 + 15 = 15;图 129-2
/sys/class/gpio/export 用于将GPIO控制从内核空间导出到用户空间。/sys/class/gpio/unexport 用于取消GPIO控制从内核空间到用户空间的导出。 export 和 unexport，他们都是只写的。GpiochipX代表GPIO 控制器。
export：用于将指定编号的 GPIO 引脚导出。在使用 GPIO 引脚之前，需要将其导出，导出成功之后才能使用它。注意 export 文件是只写文件，不能读取，将一个指定的编号写入到 export 文件中即可将对应的 GPIO 引脚导出，以GPIO0_PB7为例（pin计算值为15）使用export 文件进行导出(如果没有更换本章开始部分的内核设备树镜像，会导出不成功)，导出成功如下图所示：
echo 15 > export
图 129-3
会发现在/sys/class/gpio 目录下生成了一个名为 gpio15 的文件夹（gpioX，X 表示对应的编 号），该文件夹就是导出来的 GPIO 引脚对应的文件夹，用于管理、控制该 GPIO 引脚。
unexport：将导出的 GPIO 引脚删除。当使用完 GPIO 引脚之后，需要将导出的引脚删除，同样该文件也是只写文件、不可读，使用unexport 文件进行删除GPIO0_PB7，删除成功如下图所示：
echo 15 > unexport
图 129-4
可以看到之前生成的 gpio15 文件夹就会消失！
需要注意的是，并不是所有 GPIO 引脚都可以成功导出，如果对应的 GPIO 已经被导出或者在内核中被使用了，那便无法成功导出，导出失败如下图所示：
图 129-5
出现上图报错的原因是该GPIO已经被其他GPIO使用，需要在内核中找到使用GPIO的驱动，并取消该驱动才可以正常使用GPIO。在使用GPIO15时，需要取消Linux内核源码中LED灯的配置，如下所示：
图 129-6
再次使用以下命令导出GPIO0_PB7引脚，导出成功之后进入gpio15文件夹如下图所示：
echo 15 > export
图 129-7
可以看到gpio15文件夹下分别有active_low、device、direction、edge、power、subsystem、uevent、value八个文件，需要关心的文件是 active_low、direction、edge 以及 value 这四个属性文件，接下来分别介绍这四个属性文件的作用：
direction：配置 GPIO 引脚为输入或输出模式。该文件可读、可写，读表示查看 GPIO 当前是输入还是输出模式，写表示将 GPIO 配置为输入或输出模式；读取或写入操作可取的值为"out"（输出模式）和"in"（输入模式）。
在“/sys/class/gpio/gpio15”目录下使用cat命令查看direction输入输出模式，如下图所示：
cat direction
图 129-8
默认状态下的输入输出状态为“in”,由于direction为可读可写，可以使用以下命令将模式配置为输出，配置完成如下图所示
echo out > direction
cat direction
图 129-10
当 active_low 等于 0 时， value 值若为1则引脚输出高电平，value 值若为0则引脚输出低电平。当 active_low 等于 1 时 ，value 值若为0则引脚输出高电平，value 值若为1则引脚输出低电平。
edge：控制中断的触发模式，该文件可读可写。在配置 GPIO 引脚的中断触发模式之前，需将其设置为输入模式，四种触发模式的设置如下所示：
| 非中断引脚：echo "none" > edge 上升沿触发：echo "rising" > edge 下降沿触发：echo "falling" > edge 边沿触发： echo "both" > edge |
value: 设置高低电平，如果我们要把这个管脚设置成高电平，我们只需要给value设置成1即可，反之，则设置成0。使用命令
echo 1 > value
反之，把GPIO设置成低电平，使用命令
echo 0 > value
图 129-11
129.2 使用C程序通过sysfs文件系统控制GPIO
129.2.1 控制GPIO输出实验
本小节代码在配套资料“iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\82_gpioctrl01”目录下。
实验要求：
通过GPIO输出应用程序控制GPIO口输出高低电平，以此来控制LED灯的亮灭。
实验步骤：
首先进入ubuntu的终端界面输入以下命令来创建 gpioctrl.c文件，如下图所示：
图 129-12
然后向该文件中添加以下内容：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int fd; // 文件描述符
int ret; // 返回值
char gpio_path[100]; // GPIO路径
int len; // 字符串长度
// 导出GPIO引脚
int gpio_export(char *argv)
{
fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY); // 打开export文件
if (fd < 0)
{
printf("open /sys/class/gpio/export error \n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(argv); // 获取参数字符串的长度
ret = write(fd, argv, len); // 将参数字符串写入文件，导出GPIO引脚
if (ret < 0)
{
printf("write /sys/class/gpio/export error \n"); // 写入文件失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
// 取消导出GPIO引脚
int gpio_unexport(char *argv)
{
fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY); // 打开unexport文件
if (fd < 0)
{
printf("open /sys/class/gpio/unexport error \n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(argv); // 获取参数字符串的长度
ret = write(fd, argv, len); // 将参数字符串写入文件，取消导出GPIO引脚
if (ret < 0)
{
printf("write /sys/class/gpio/unexport error \n"); // 写入文件失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
// 控制GPIO引脚的属性
int gpio_ctrl(char *arg, char *val)
{
char file_path[100]; // 文件路径
sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建文件路径，格式为“gpio_path/arg”
fd = open(file_path, O_WRONLY); // 打开文件
if (fd < 0)
{
printf("open file_path error \n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(val); // 获取参数字符串的长度
ret = write(fd, val, len); // 将参数字符串写入文件，控制GPIO引脚的属性
if (ret < 0)
{
printf("write file_path error\n"); // 写入文件失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{
sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]); // 构建GPIO路径，格式为“/sys/class/gpio/gpio引脚号”
if (access(gpio_path, F_OK)) // 检查GPIO路径是否存在
{
gpio_export(argv[1]); // 不存在则导出GPIO引脚
}
else
{
gpio_unexport(argv[1]); // 存在则取消导出GPIO引脚
}
gpio_ctrl("direction", "out"); // 配置GPIO为输出模式
gpio_ctrl("value", argv[2]); // 控制GPIO输出高低电平
gpio_unexport(argv[1]); // 最后取消导出GPIO引脚
return 0; // 返回0表示程序正常退出
} 保存退出之后，使用以下命令设置交叉编译器环境，并对gpioctrl.c进行交叉编译，编译完成如下图所示：
export PATH=/usr/local/arm64/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH
aarch64-linux-gnu-gcc gpioctrl.c -o gpioctrl
图 129-13
最后将交叉编译生成的gpioctrl文件拷贝到开发板目录下运行即可，如下所示：
图 129-14
输入“./gpioctrl 15 1”命令LED灯点亮，输入“./gpioctrl 15 0”命令LED灯熄灭。
到此，实验结束。
129.2.2 控制GPIO输入实验
本小节代码在配套资料“iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\83_gpioctrl02”目录下。
实验要求：
通过GPIO输入应用程序读取GPIO口的输入电平。
实验硬件连接：
使用迅为iTOP-RK3568开发板，使用导线连接开发板背面的引脚GPIO1_B2,另一端连接到电源或者GND。
实验步骤：
首先进入ubuntu的终端界面输入以下命令来创建 gpioctrl.c文件，如下图所示：
图 129-15
然后向该文件中添加以下内容：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int fd; // 文件描述符
int ret; // 返回值
char gpio_path[100]; // GPIO路径
int len; // 字符串长度
char file_path[100]; // 文件路径
char buf[2]; // 用于读取 GPIO 值的缓冲区
// 导出 GPIO 引脚
int gpio_export(char *argv)
{
fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY); // 打开 export 文件
if (fd < 0)
{
printf("open /sys/class/gpio/export error\n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(argv); // 获取参数字符串的长度
ret = write(fd, argv, len); // 将参数字符串写入文件，导出 GPIO 引脚
if (ret < 0)
{
printf("write /sys/class/gpio/export error\n"); // 写入文件失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
// 取消导出 GPIO 引脚
int gpio_unexport(char *argv)
{
fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY); // 打开 unexport 文件
if (fd < 0)
{
printf("open /sys/class/gpio/unexport error\n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(argv); // 获取参数字符串的长度
ret = write(fd, argv, len); // 将参数字符串写入文件，取消导出 GPIO 引脚
if (ret < 0)
{
printf("write /sys/class/gpio/unexport error\n"); // 写入文件失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
// 控制 GPIO 引脚的属性
int gpio_ctrl(char *arg, char *val)
{
sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建文件路径，格式为 "gpio_path/arg"
fd = open(file_path, O_WRONLY); // 打开文件
if (fd < 0)
{
printf("open file_path error\n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(val); // 获取参数字符串的长度
ret = write(fd, val, len); // 将参数字符串写入文件，控制 GPIO 引脚的属性
if (ret < 0)
{
printf("write file_path error\n"); // 写入文件失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
// 读取 GPIO 引脚的值
int gpio_read_value(char *arg)
{
sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建文件路径，格式为 "gpio_path/arg"
fd = open(file_path, O_RDONLY); // 打开文件
if (fd < 0)
{
printf("open file_path error\n"); // 打开文件失败
return -1;
}
ret = read(fd, buf, 1); // 读取文件内容到缓冲区
if (!strcmp(buf, "1"))
{
printf("The value is high\n"); // GPIO 引脚值为高电平
return 1;
}
else if (!strcmp(buf,"0"))
{
printf("The value is low\n"); // GPIO 引脚值为低电平
return 0;
}
close(fd); // 关闭文件
return -1;
}
int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{
int value;
sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]); // 构建 GPIO 路径，格式为 "/sys/class/gpio/gpio引脚号"
if (access(gpio_path, F_OK)) // 检查 GPIO 路径是否存在
{
gpio_export(argv[1]); // 不存在则导出 GPIO 引脚
}
else
{
gpio_unexport(argv[1]); // 存在则取消导出 GPIO 引脚
}
gpio_ctrl("direction", "in"); // 配置 GPIO 为输入模式
value = gpio_read_value("value"); // 读取 GPIO 引脚的值
printf("The value is %d\n", value); // 打印读取的 GPIO 引脚的值
gpio_unexport(argv[1]); // 最后取消导出 GPIO 引脚
return 0; // 返回 0 表示程序正常退出
} 保存退出之后，使用以下命令设置交叉编译器环境，并对gpioctrl.c进行交叉编译，编译完成如下图所示：
export PATH=/usr/local/arm64/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH
aarch64-linux-gnu-gcc gpioctrl.c -o gpioctrl
图 129-16
最后将交叉编译生成的gpioctrl文件拷贝到开发板目录下运行即可。
为了测试输入高电平的状况，作者使用了杜邦线将开发板背面的3.3V接到了GPIO1_PB2 pin脚上，然后再次使用以下命令来进行状态的检测，如下图所示：
chmod 777 gpioctrl
./gpioctrl 42
图 129-17
可以看到GPIO1_PB2 pin脚打印的value值为高，所以gpio的状态打印正确。
同理，我们将GPIO1_PB2 pin脚接到GND，再次运行程序，如下图所示：
图 129-18
可以看到GPIO1_PB2 pin脚打印的value值为0，所以gpio的状态打印正确。
至此GPIO输入应用程序在开发板的测试就完成了。
129.3 使用C程序通过sysfs文件系统使用GPIO中断
本小节代码在配套资料“iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\84_gpioctrl03”目录下。
实验要求：
通过GPIO的输入中断程序，将中断触发方式设置为边沿触发，每当触发中断会打印value的值。
129.3.1编写应用程序
实验步骤：
首先进入到ubuntu的终端界面输入以下命令来创建 gpioctrl.c文件，如下图所示：
图 129-19
然后向该文件中添加以下内容：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int fd; // 文件描述符
int ret; // 返回值
char gpio_path[100]; // GPIO路径
int len; // 字符串长度
char file_path[100]; // 文件路径
char buf[2]; // 缓冲区
struct pollfd fds[1]; // poll结构体数组
// 导出GPIO引脚
int gpio_export(char *argv)
{
fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY); // 打开export文件
if (fd < 0)
{
printf("open /sys/class/gpio/export error \n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(argv); // 获取字符串长度
ret = write(fd, argv, len); // 写入引脚号到export文件
if (ret < 0)
{
printf("write /sys/class/gpio/export error \n"); // 写入失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
// 取消导出GPIO引脚
int gpio_unexport(char *argv)
{
fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY); // 打开unexport文件
if (fd < 0)
{
printf("open /sys/class/gpio/unexport error \n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(argv); // 获取字符串长度
ret = write(fd, argv, len); // 写入引脚号到unexport文件
if (ret < 0)
{
printf("write /sys/class/gpio/unexport error \n"); // 写入失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
// 控制GPIO引脚的属性
int gpio_ctrl(char *arg, char *val)
{
sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建属性文件的路径
fd = open(file_path, O_WRONLY); // 打开属性文件
if (fd < 0)
{
printf("open file_path error \n"); // 打开文件失败
return -1;
}
len = strlen(val); // 获取字符串长度
ret = write(fd, val, len); // 写入属性值到属性文件
if (ret < 0)
{
printf("write file_path error\n"); // 写入失败
return -2;
}
close(fd); // 关闭文件
}
// 监听GPIO引脚的中断事件
int gpio_interrupt(char *arg)
{
sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建文件路径
fd = open(file_path, O_WRONLY); // 打开文件
if (fd < 0)
{
printf("open file_path error \n"); // 打开文件失败
return -1;
}
memset((void *)fds, 0, sizeof(fds)); // 清空poll结构体数组
fds[0].fd = fd; // 设置poll结构体的文件描述符
fds[0].events = POLLPRI; // 设置poll结构体的事件类型为POLLPRI，表示有紧急数据可读
read(fd, buf, 2); // 读取文件内容，清除中断事件
ret = poll(fds, 1, -1); // 调用poll函数等待中断事件发生，阻塞直到事件发生
if (ret <= 0)
{
printf("poll error \n"); // 调用poll失败或超时
return -1;
}
if (fds[0].revents & POLLPRI)
{
lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 重新定位文件指针到文件开头
read(fd, buf, 2); // 读取文件内容，获取中断事件的值
buf[1] = '\0';
printf("value is %s\n", buf); // 输出中断事件的值
}
}
// 读取GPIO引脚的值
int gpio_read_value(char *arg)
{
sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建文件路径
fd = open(file_path, O_WRONLY); // 打开文件，以只写模式打开是一个错误，应该使用只读模式
if (fd < 0)
{
printf("open file_path error\n"); // 打开文件失败
return -1;
}
ret = read(fd, buf, 1); // 读取文件内容，获取引脚的值
if (!strcmp(buf, "1"))
{
printf("The value is high\n"); // 引脚值为高电平
}
else if (!strcmp(buf, "0"))
{
printf("The value is low\n"); // 引脚值为低电平
}
return -1; // 这里应该返回读取到的引脚值（0或1），而不是返回固定的-1
close(fd); // 关闭文件（这行代码无法执行到，应该放在read之前）
}
int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{
int value;
sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]); // 构建GPIO路径
if (access(gpio_path, F_OK)) // 检查GPIO路径是否存在
{
gpio_export(argv[1]); // 不存在则导出GPIO引脚
}
else
{
gpio_unexport(argv[1]); // 存在则取消导出GPIO引脚
}
gpio_ctrl("direction", "in"); // 设置GPIO引脚为输入模式
gpio_ctrl("edge", "both"); // 设置GPIO引脚的中断触发方式为上升沿和下降沿
gpio_interrupt("value"); // 监听GPIO引脚的中断事件
gpio_unexport(argv[1]); // 最后取消导出GPIO引脚
return 0; // 返回0表示程序正常退出
} 保存退出之后，使用以下命令设置交叉编译器环境，并对gpioctrl.c进行交叉编译，编译完成如下图所示：
export PATH=/usr/local/arm64/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH
aarch64-linux-gnu-gcc -o demo64_interrupt demo64_interrupt.c
图129-20
最后将交叉编译生成的gpioctrl文件拷贝到开发板目录下即可。
129.3.2开发板测试
我们使用导线一端连接开发板背面的GPIO1_B2,然后输入以下命令运行程序。
./gpioctrl 42&
由于中断并没有被触发，所以程序会阻塞，等待中断的进行，然后使用杜邦线的另一端将GPIO底座的3.3V接到GPIO1_PB2 pin脚，进行中断的测试，如下图所示：
图 129-21
可以看到中断就被触发了，相应的字符串也被打印了。
至此GPIO输入中断应用程序在开发板的测试就完成了。
129.4 使用IO命令操作寄存器控制GPIO
129.4.1 IO命令
"io" 命令是一个用于 Linux 系统的命令行工具，用于读取和写入指定 I/O 端口的值。它主要用于与硬件设备进行低级别的交互和调试，在内核阶段读写寄存器。
该命令的语法如下：
io [选项] [地址] [操作] [数据]
- 其中，选项可以是以下之一：
-b：以字节为单位进行 I/O 操作（默认为字）。
-w：以字为单位进行 I/O 操作。
-l：以双字为单位进行 I/O 操作。
- 地址是要读取或写入的 I/O 端口的十六进制值。
- 操作可以是以下之一：
r：读取 I/O 端口的值。
w：写入数据到 I/O 端口。
- 数据是要写入 I/O 端口的十六进制值。
以下是一个使用 io命令的示例
以下是一些使用 `io` 命令的示例：
1. 读取 I/O 端口的值：
io -b -r 0x80
这将以字节为单位读取 I/O 端口 0x80的值，并将其显示在终端上。
2. 向 I/O 端口写入数据：
io -b -w 0x80 0xAB
这将向 I/O 端口 0x80 写入十六进制值 0xAB。
3. 以字为单位进行读取：
io -w -r 0x1000
这将以字为单位读取 I/O 端口 0x1000的值
4. 以双字为单位进行写入：
io -l -w 0x2000 0xDEADBEEF
这将以双字为单位向 I/O 端口 0x2000 写入十六进制值 0xDEADBEEF。
129.4.2 LED引脚寄存器查找
我们查询到了控制LED灯的GPIO为GPIO0_B7。在接下来的实验中需要对GPIO进行配置，一般情况下需要对GPIO的复用寄存器，方向寄存器，数据寄存器进行配置。接下来我们打开RK3568的参考手册part1查找这几个寄存器的地址。
129.4.2.1查找复用寄存器
打开参考手册part1的第三章，GPIOB的复用寄存器的偏移地址如下（图129-22）所示：
图 129-22
搜索gpio0b7，如下图（图 129-23）所示，gpio0b7_sel在PMU_GRF_GPIO0B_IOMUX_H上，所以偏移地址为0x000C。gpio0b7可以通过控制[14:12]位来选择复用为哪个功能，我们要控制led灯，所以功能要复用为gpio。
图 129-23
复用寄存器的基地址如下图(图 129-24)所示：
图 129-24
所以复用寄存器地址=基地址+偏移地址=0xFDC2000C 。使用io命令查看此寄存器的地址：
io -r -4 0xFDC2000C
图 129-25
如上图(图 129-25)所示，寄存器值为00000001，[14:12]位为000，如下图（图 129-26）所示，所以默认设置的为gpio功能。
图 129-26
129.4.2.2查找方向寄存器
打开参考手册part1的第16章节，数据寄存器的偏移地址如下图（图 129-24）所示：
图 129-24
GPIO有四组GPIO，分别是GPIOA，GPIOB，GPIOC，GPIOD。每组又以 A0~A7, B0~B7, C0~C7, D0~D7 作为编号区分。GPIO0B7在GPIO_SWPORT_DDR_L上所以，方向寄存器的偏移地址为0x0008。接着查看GPIO_SWPORT_DDR_L寄存器的具体描述，如下图（图129-25）所示：
图 129-25
如上图（图 129-25）所示，[31:16]位属性是WO，也就是只可写入。这[31:16]位是写标志位，是低16位的写使能。如果低16位中某一位要设置输入输入输出，则对应高位写标志也应该设置为1。 [15：0] 是数据方向控制寄存器低位，如果要设置某个GPIO为输出，则对应位置1，如果要设置某个GPIO为输入，则对应位置0。那么GPIO0 B7 ，我们要设置第15位为输入还是输出，那么对应的[31:16]位写使能也要置1。
打开参考手册part1的1.1小节Address Mapping。
图 129-27
如上图（图129-27）所示，GPIO0的基地址为0xFDD60000。方向寄存器的地址=基地址+偏移地址=0xFDD60000+0x0008=0xFDD60008
然后使用IO命令查看该寄存器的值，如下（图129-28）所示：
图 129-28
如下图（图 129-29）所示，第15位默认为1，设置GPIO0_B7为输出。
图129-29
129.4.2.3查找数据寄存器
打开参考手册part1的1.1小节Address Mapping。
图 129-31
如上图（图18-13）所示，GPIO0的基地址为0xFDD60000。
数据寄存器的偏移地址如下（图129-32）所示：
所以数据寄存器的地址为基地址+偏移地址=0xFDD60000。使用IO命令查看地址的值，如下（图129-33）所示：
图 129-33
我们来看一下这个数据寄存器的描述，如下图（图129-34）所示，
图129-34
分析上图的方法和在分析方向寄存器的方法同理，由上图可知，如果要控制第15位为高电平（置1），需要设置31位为1，那么点亮灯，需要向数据寄存器写入0x8000c040，如下图（图129-35）所示：
图 129-35
如果要灭灯，需要设置第15位为0 ，第31位为1，那么向数据寄存器中写入0x80004040，如下图（图 129-36）所示：
总结
- 复用关系寄存器的基地址为0xFDC20000 ，偏移地址为000C ，所以要操作的地址为基地址+偏移地址=0xFDC2000C
- GPIO的基地址为0xFDD60000，偏移地址为0x0008，所以方向寄存器要操作的地址为基地址+偏移地址=0xFDD60008，我们要给方向寄存器写入0x80000044设置为输出。
- GPIO的基地址为0xFDD60000，偏移地址为0x0000，所以数据寄存器要操作的地址为基地址+偏移地址=0xFDD60000
- 默认的数据寄存器的值：0x8000c040亮灯，0x80004040灭灯
129.4.3 IO命令点灯测试
默认GPIO0_B7是GPIO模式，然后输入以下命令将方向寄存器设置为输出。
io -w -4 0xFDD60008 0x80008044
接下来设置GPIO是输出高电平还是低电平，首先查看数据寄存器的值，输入以下命令：
io -r -4 0xFDD60000
图129-37
给数据寄存器写入0x80008040输出高电平，灯亮。
io -w -4 0xFDD60000 0x8000c040
给数据寄存器写入0x80008040输出高电平，灯灭。
io -w -4 0xFDD60000 0x80004040
129.5 通过mem设备控制GPIO
在上一节中，我们学习了如何通过输入输出命令（IO）来控制LED灯的GPIO寄存器，实现了简单的点灯效果。这种方法通过访问设备文件来直接读写寄存器，实现了对硬件的低级控制。
然而，在某些情况下，我们可能无法直接使用IO命令来访问GPIO寄存器，或者希望使用更高级的抽象来控制硬件。这时，可以使用/dev/mem设备来操作物理内存，以实现对GPIO寄存器的访问。
通过打开/dev/mem设备文件，并将其映射到用户空间的内存中，我们可以直接读写物理内存地址，从而实现对GPIO寄存器的控制。这种方法相对于IO命令更加灵活，可以使用更高级的编程语言（如C/C++）来编写控制逻辑。
在本小节中，我们将继续使用C语言，并通过/dev/mem设备来控制GPIO寄存器，实现LED灯的点灯效果。通过使用/dev/mem设备进行GPIO控制，我们可以更加灵活地操作硬件，并且能够使用更高级的编程语言和工具来进行开发和调试。接下来，让我们开始学习如何使用/dev/mem设备来控制GPIO，进一步扩展我们的硬件控制能力。
129.5.1 Linux系统用户态访问内核态方式
在Linux系统中，用户态可以通过多种方式访问内核态，包括：
1. 通过read/write/ioctl：使用这种方式，用户态程序可以通过读写文件描述符或使用ioctl系统调用与内核进行通信。例如，可以通过读写特定文件描述符来控制设备或获取设备状态。
2. 通过sysfs虚拟文件系统：sysfs是一种以文件的形式表示设备和内核信息的虚拟文件系统。通过在sysfs中的特定路径下读写文件，用户态程序可以与内核进行交互，例如控制GPIO引脚或获取系统信息。
3. 通过内存映射：内存映射是将用户空间的一段内存区域映射到内核空间的一种机制。通过内存映射，用户态程序可以直接修改内存区域的内容，从而与内核进行通信。这种方式可以实现高效的数据传输和共享。
4. 通过Netlink：Netlink是Linux内核提供的一种通信机制，用于用户态程序与内核之间的双向通信。通过创建Netlink套接字，用户态程序可以与内核进行交互，发送请求、接收事件通知等。这种方式适用于需要与内核进行复杂交互的场景，例如配置系统参数或发送命令。
这些方法提供了不同的方式和接口，用户态程序可以根据具体需求选择适合的方法与内核进行通信。
129.5.2 /dev/mem设备
/dev/mem是Linux系统中的一个虚拟设备，通常与mmap结合使用，可以将设备的物理内存映射到用户态，以实现用户空间对内核态的直接访问。无论是标准Linux系统还是嵌入式Linux系统，都支持使用/dev/mem设备。
然而，直接访问内核空间是一项潜在危险的操作，因此只有root用户才能访问/dev/mem设备。此外有些系统可能需要单独启动/dev/mem设备的功能。配置启动/dev/mem设备方法如下所示：
在Linux源码内核中配置以下选项。
Device Drivers --->
Character devices--->
[*] /dev/mem virtual device support
图129-38
在上一小节中，我们讲解了IO命令，IO命令实际上就是基于/dev/mem设备实现的。如果Linux内核源码没有配置支持/dev/mem，IO命令是不能使用的。
129.5.3 /dev/mem设备的使用方法。
使用/dev/mem设备需要具有root权限，并且谨慎操作，因为直接访问内核空间是一项潜在的危险操作。以下是使用/dev/mem设备的基本步骤：
步骤一：
使用open函数打开"/dev/mem"文件描述符，并指定访问权限和阻塞方式。访问权限可以是只读（O_RDONLY）、只写（O_WRONLY）或读写（O_RDWR）阻塞方式或非阻塞（O_NDELAY）。
int fd = 0;
fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_NDELAY); /* 读写权限，非阻塞 */
请注意，这里使用O_RDWR表示读写权限，并使用O_NDELAY表示非阻塞方式。你可以根据实际需求选择适当的访问权限和阻塞方式。
步骤二：
使用mmap函数将需要访问的物理地址与"/dev/mem"文件描述符建立映射。mmap函数将返回一个指向映射内存区域的指针。
char *mmap_addr = NULL;
mmap_addr = (char *)mmap(NULL, MMAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, MMAP_ADDR);
在这里，使用mmap函数将物理内存地址映射到mmap_addr指针所指向的内存区域。MMAP_SIZE表示映射的大小，PROT_READ | PROT_WRITE表示访问权限为读写，MAP_SHARED表示共享映射，fd是之前打开的/dev/mem文件描述符，MMAP_ADDR是要映射的物理地址。
步骤三：
对映射的地址进行访问，即对寄存器进行读写操作。
int a = 0;
*(int *)mmap_addr = 0xff; // 写地址
a = *(int *)mmap_addr; // 读地址
在这里，使用指针操作对mmap_addr指向的地址进行读写操作。*(int *)mmap_addr表示将mmap_addr解释为int类型的指针，对于写操作，将0xff写入该地址；对于读操作，将地址的值读取到变量a中。
通过上述三个步骤，我们可以使用/dev/mem设备。接下来我们来了解下mmap函数。
129.5.4 mmap函数
mmap函数解释如下所示：
函数原型：
void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
函数参数：
start: 指定文件应被映射到进程空间的起始地址 ，一般被指定为一个空指针，选择起始地址的任务留给内核来完成。映射成功之后，函数返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。
length: 是映射到调用进程地址空间的字节数。
prot: 参数指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的或。PROT_READ(映射区域可读)、PROT_EXEC(映射区域可执行)、PROT_WRITE(映射区域可写)、PROT_NONE(映射区域不可访问)。
flags: 由以下几个常值指定，MAP_SHARED，MAP_PRIVATE，MAP_FIXED，其中MAP_SHARED，MAP_PRIVATE必选其一，MAP_FIXED不推荐使用。
fd: 有效的文件描述符。一般是由open()函数返回。
offset: 文件映射的偏移量，offset的大小必须是页的整数倍，如果设备为0代表从文件最前方开始映射。
函数返回值：成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，失败时，mmap()返回-1.
129.5.5 LED灯实验
本小节代码在配套资料“iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\85_gpioctrl04”目录下。
实验要求：
通过编写mem设备控制GPIO（LED灯）的应用程序实现LED灯闪烁的效果。
实验硬件连接：
使用迅为iTOP-RK3568开发板上的用户灯LED9。
实验步骤：
首先进入ubuntu的终端界面输入以下命令来创建 gpioctrl.c文件，如下图所示：
图129-39
然后向该文件中添加以下内容：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define GPIO_REG_BASE 0xFDD60000
#define GPIO_SWPORT_DDR_L_OFFSET 0x0008
#define GPIO_SWPORT_DR_L_OFFSET 0x0000
#define SIZE_MAP 0x1000
// 打开LED灯
void LED_ON(unsigned char *base)
{
// 设置LED灯的方向为输出
*(volatile unsigned int *)(base + GPIO_SWPORT_DDR_L_OFFSET) = 0x80008044;
// 将LED灯打开
*(volatile unsigned int *)(base + GPIO_SWPORT_DR_L_OFFSET) = 0x80008040;
}
// 关闭LED灯
void LED_OFF(unsigned char *base)
{
// 设置LED灯的方向为输出
*(volatile unsigned int *)(base + GPIO_SWPORT_DDR_L_OFFSET) = 0x80008044;
// 将LED灯关闭
*(volatile unsigned int *)(base + GPIO_SWPORT_DR_L_OFFSET) = 0x80000040;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
unsigned char *map_base;
// 打开/dev/mem设备
fd = open("/dev/mem", O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("open /dev/mem error \n");
return -1;
}
// 将物理地址映射到用户空间
map_base = (unsigned char *)mmap(NULL, SIZE_MAP, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, GPIO_REG_BASE);
if (map_base == MAP_FAILED)
{
printf("map_base error \n");
return -2;
}
while (1)
{
// 打开LED灯
LED_ON(map_base);
// 等待1秒
usleep(1000000);
// 关闭LED灯
LED_OFF(map_base);
// 等待1秒
usleep(1000000);
}
// 解除映射
munmap(map_base, SIZE_MAP);
// 关闭文件描述符
close(fd);
return 0; // 返回0表示程序正常退出
} 保存退出之后，使用以下命令设置交叉编译器环境，并对gpioctrl.c进行交叉编译，编译完成如下图所示：
export PATH=/usr/local/arm64/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH
aarch64-linux-gnu-gcc gpioctrl.c -o gpioctrl
图129-40
最后将交叉编译生成的gpioctrl文件拷贝到开发板目录下运行即可。
chmod 777 gpioctrl
./gpioctrl 15
图129-41
程序运行之后，开发板上的用户灯LED实现了闪烁的效果。