树莓派学习笔记——使用文件IO操作GPIO SysFs方式

0 前言

    本文描述如果通过文件IO sysfs方式控制树莓派 GPIO端口。通过sysfs方式控制GPIO，先访问/sys/class/gpio目录，向export文件写入GPIO编号，使得该GPIO的操作接口从内核空间暴露到用户空间，GPIO的操作接口包括direction和value等，direction控制GPIO方向，而value可控制GPIO输出或获得GPIO输入。

    Linux学习可从应用出发，先不纠结Linux驱动编写，先把Linux给玩起来。

    【相同与不同】

    本文和【 EasyARM i.mx28学习笔记——文件IO方式操作GPIO】内容相似，大部分代码相同。通过文件IO操作可以有效地避免平台差异，虽然EasyARM im287平台和树莓派完全不同，但是通过sysfs操作GPIO实现代码大致相同。

    和EasyARM im287不同，此处并没有使用交叉编译工具，有树莓派中的gcc工具链编译链接获得可执行文件，而EasyARM im287并不能这样操作。EasyARM im287采用busybox指令集，这也与树莓派中的debian指令集存在差异。

    【相关博文】

    【 EasyARM i.mx28学习笔记——文件IO方式操作GPIO】

    【 树莓派学习笔记——Shell脚本操作GPIO】

    【 树莓派学习笔记——交叉编译工具链】

    【  Linux学习笔记——例说makefile 索引博文】

    【代码仓库】

    代码仓库位于bitbucket—— rpi-gpio-sysfs ，请使用Hg克隆或者直接下载zip包。请不要使用任何版本的IE浏览器访问链接，除非你已经知道所使用的IE浏览器符合HTML5标准。推荐使用谷歌或者火狐浏览器访问，若使用国产双核浏览器请切换到极速模式。

    【原理图示意】

图1 连线示意图

1 暴露GPIO操作接口

static int gpio_export(int pin)
{
    char buffer[BUFFER_MAX];
    int len;
    int fd;

    fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to open export for writing!\n");
        return(-1);
    }

    len = snprintf(buffer, BUFFER_MAX, "%d", pin);
    if (write(fd, buffer, len) < 0) {
        fprintf(stderr, "Fail to export gpio!");
        return -1;
    }
   
    close(fd);
    return 0;
}

2 隐藏GPIO操作接口

static int gpio_unexport(int pin)
{
    char buffer[BUFFER_MAX];
    int len;
    int fd;

    fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to open unexport for writing!\n");
        return -1;
    }

    len = snprintf(buffer, BUFFER_MAX, "%d", pin);
    if (write(fd, buffer, len) < 0) {
        fprintf(stderr, "Fail to unexport gpio!");
        return -1;
    }
   
    close(fd);
    return 0;
}

3 配置GPIO方向

static int gpio_direction(int pin, int dir)
{
    static const char dir_str[] = "in\0out";
    char path[DIRECTION_MAX];
    int fd;

    snprintf(path, DIRECTION_MAX, "/sys/class/gpio/gpio%d/direction", pin);
    fd = open(path, O_WRONLY);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr, "failed to open gpio direction for writing!\n");
        return -1;
    }

    if (write(fd, &dir_str[dir == IN ? 0 : 3], dir == IN ? 2 : 3) < 0) {
        fprintf(stderr, "failed to set direction!\n");
        return -1;
    }

    close(fd);
    return 0;
}

    【简单说明】

    【1】dir_str[dir == IN ? 0 : 3], dir == IN ? 2 : 3 如果输入为常数宏IN， 取dir_str[0]=“in”；若输入常数宏为OUT，取dir_str[0]=“out”。此处巧妙的使用了在数组中的“\0”。

4 控制GPIO输出

static int gpio_write(int pin, int value)
{
    static const char values_str[] = "01";
    char path[DIRECTION_MAX];
    int fd;

    snprintf(path, DIRECTION_MAX, "/sys/class/gpio/gpio%d/value", pin);
    fd = open(path, O_WRONLY);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr, "failed to open gpio value for writing!\n");
        return -1;
    }

    if (write(fd, &values_str[value == LOW ? 0 : 1], 1) < 0) {
        fprintf(stderr, "failed to write value!\n");
        return -1;
    }

    close(fd);
    return 0;
}

5 获得GPIO输入

static int gpio_read(int pin)
{
    char path[DIRECTION_MAX];
    char value_str[3];
    int fd;

    snprintf(path, DIRECTION_MAX, "/sys/class/gpio/gpio%d/value", pin);
    fd = open(path, O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        fprintf(stderr, "failed to open gpio value for reading!\n");
        return -1;
    }

    if (read(fd, value_str, 3) < 0) {
        fprintf(stderr, "failed to read value!\n");
        return -1;
    }

    close(fd);
    return (atoi(value_str));
}

6 GPIO翻转操作

    【main函数】

int main(int argc, char *argv[])
{
    int i = 0;
    
    GPIOExport(POUT);
    GPIODirection(POUT, OUT);
    
    for (i = 0; i < 20; i++) {
        GPIOWrite(POUT, i % 2);
        usleep(500 * 1000);
    }

    GPIOUnexport(POUT);
    return(0);
}

    【makefile】——此处的代码tab显示可能存在问题，请以代码仓库为主。

# 可执行文件
TARGET=test
# 依赖目标
SRCS=gpio-sysfs.c

# 目标文件
OBJS = $(SRCS:.c=.o)

# 指令编译器和选项
CC=gcc
CFLAGS=-Wall -std=gnu99

$(TARGET):$(OBJS)
 $(CC) -o $@ $^

clean:
 rm -rf $(TARGET) $(OBJS)

# 连续动作，先清除再编译链接，最后执行
exec:clean $(TARGET)
 @echo 开始执行
 sudo ./$(TARGET)
 @echo 执行结束

# 编译规则 $@代表目标文件 $< 代表第一个依赖文件
%.o:%.c
 $(CC) $(CFLAGS) -o $@ -c $<

    【上传树莓派中 编译链接并执行】

    make exec

    makefile中exec目标包括以下一个过程，先清除目标文件和可执行文件，然后进行交叉编译，最后使用 超级权限运行可执行文件。

    makefile的使用详见【  Linux学习笔记——例说makefile 索引博文】

7 总结

【1】树莓派和其他嵌入式Linux开发板存在差别和联系，树莓派同样可以使用sysfs控制GPIO。

【2】树莓派即在其他助剂中交叉编译，也可在平台直接编译。

8 参考资料

【1】 RPi Low-level peripherals