树莓派学习笔记——wiringPi GPIO使用详解

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

    (该部分表述可能有误,正在确认修改中)
    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0x7E00 0000,被MMU虚拟之后的起始地址为0x2000 0000。以此类推,GPIO外设物理起始地址为0x7E20 0000 = 0x7E00 0000+0x0020 0000,被MMU虚拟之后的GPIO外设地址为0x2000 0000+0x0020 0000。那么对于Linux系统而言,GPIO相关操作的起始地址为0x2020 0000。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。
树莓派学习笔记——wiringPi GPIO使用详解_第1张图片
图2 wiringPi GPIO 和 BCM2835 GPIO映射关系
#include <wiringPi.h>
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。
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

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)。
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

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
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
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

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。
树莓派学习笔记——wiringPi GPIO使用详解_第2张图片
图5 BCM2835 SET寄存器含义 

4.4 delay

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:
#include <time.h> 
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,

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】


你可能感兴趣的:(树莓派,GPIO,wiringPi)