树莓派上的Linux GPIO——控制与应用 (raspberry linux gpio)
树莓派是一款基于ARM架构的小型计算机，它可以运行多种操作系统，如Linux、Windows、Android等。其中Linux系统最为常用，因为它开放、安全、稳定、易于扩展等特点，可以让开发者自由发挥自己的创造力。本文主要介绍Linux系统下树莓派的GPIO控制。
GPIO（General Purpose Input Output）是通用输入/输出，是一种用于控制数字信号的接口。树莓派拥有26个GPIO引脚，可以用于控制LED、蜂鸣器、电机等多种外设。使用GPIO需要了解Linux系统下的设备文件、驱动程序和控制命令等相关知识。
设备文件是Linux系统中用于访问硬件资源的文件，它们通常位于/dev目录下。GPIO设备文件的命名规则为gpiochipN，其中N表示编号，从0开始，更大值为255。每个gpiochip设备文件代表一组GPIO设备，而每组设备又包含多个GPIO引脚，总数由硬件决定。例如，树莓派的gpiochip0文件代表之一组GPIO设备，包含13个GPIO引脚，编号从0到12，可以通过以下命令进行查看：
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cat /sys/class/gpio/gpiochip0/label
cat /sys/class/gpio/gpiochip0/ngpio
“`
驱动程序是控制GPIO设备的核心，它在Linux系统中作为内核模块加载。在树莓派中，GPIO设备的驱动程序由内核自带，无需手动安装。但是，需要在应用程序中使用ioctl函数进行调用和控制。ioctl函数是Linux系统中专门用于设备操作的系统调用函数，通过传递不同的参数实现对设备的控制。ioctl调用的格式如下：
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int ioctl(int fd, unsigned long request, …);
“`
其中fd为文件描述符，request为请求码，其余参数根据请求码的不同而有所不同。在Linux系统中，GPIO设备的请求码主要包括以下三类：
1. 配置GPIO引脚的方向（输入/输出）：
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#define GPIO_DIR_OUT 0 //输出
#define GPIO_DIR_IN 1 //输入
#define GPIO_IOC_OUT _IOR(GPIO_IOC_MAGIC, 0, int) //将GPIO方向设置为输出
#define GPIO_IOC_IN _IOR(GPIO_IOC_MAGIC, 1, int) //将GPIO方向设置为输入
“`
2. 控制GPIO引脚的电平（高电平/低电平）：
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#define GPIO_LEVEL_LOW 0 //低电平
#define GPIO_LEVEL_HIGH 1 //高电平
#define GPIO_IOC_LOW _IOR(GPIO_IOC_MAGIC, 2, int) //将GPIO电平设置为低电平
#define GPIO_IOC_HIGH _IOR(GPIO_IOC_MAGIC, 3, int) //将GPIO电平设置为高电平
“`
3. 读取GPIO引脚的状态：
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#define GPIO_STAT_LOW 0 //低电平
#define GPIO_STAT_HIGH 1 //高电平
#define GPIO_IOC_STAT _IOR(GPIO_IOC_MAGIC, 4, int) //读取GPIO电平状态
“`
控制命令是使用ioctl函数进行控制的关键部分。在树莓派中，GPIO的控制命令由用户空间的应用程序调用ioctl函数来发送，内核空间的驱动程序则根据请求码进行处理。下面是一个简单的GPIO控制程序示例，其中使用了ioctl函数对GPIO引脚进行控制：
“`
#include
#include
#include
#include
#define GPIO_IOC_MAGIC ‘k’
int mn(int argc, char *argv[])
{
int fd, ret;
int gpio_num = 4;
int dir = GPIO_DIR_OUT;
struct gpiochip_info info;
struct gpiohandle_request req;
struct gpiohandle_data data;
fd = open(“/dev/gpiochip0”, O_RDWR);
if (fd
perror(“open gpiochip0 fled”);
return -1;
}
ret = ioctl(fd, GPIO_GET_CHIPINFO_IOCTL, &info);
printf(“gpiochip%d: \”%s\”\n”, info.chip_id, info.name);
if (ret
perror(“get chip info fled”);
goto exit;
}
req.lineoffsets[0] = gpio_num; //要控制的GPIO编号
req.lines = 1; //控制的GPIO数量
req.flags = GPIOHANDLE_REQUEST_OUTPUT; //将GPIO设置为输出
strncpy(req.consumer_label, “gpio_test”, strlen(“gpio_test”)+1);
ret = ioctl(fd, GPIO_GET_LINEHANDLE_IOCTL, &req);
if (ret
perror(“get gpio line handle fled”);
goto exit;
}
// 设置GPIO方向（输入/输出）
ret = ioctl(req.fd, GPIO_IOC_OUT, &dir);
if (ret
perror(“set gpio direction fled”);
goto exit;
}
data.values[0] = 1; //设置输出电平
ret = ioctl(req.fd, GPIOHANDLE_SET_LINE_VALUES_IOCTL, &data);
if (ret
perror(“set gpio value fled”);
goto exit;
}
usleep(1000000); //延时1秒
// 设置GPIO电平
data.values[0] = 0; //设置输出电平
ret = ioctl(req.fd, GPIOHANDLE_SET_LINE_VALUES_IOCTL, &data);
if (ret
perror(“set gpio value fled”);
goto exit;
}
exit:
close(fd);
return ret;
}
“`
上述程序将GPIO4设置为输出模式，然后输出高电平1秒钟，再输出低电平。程序运行时需要确保使用root权限。
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