Linux GPIO子系统

Linux GPIO子系统是内核提供的一套标准化接口，用于统一管理GPIO（通用输入输出）引脚。相比直接操作物理内存（如/dev/mem），它更安全、可移植且支持高级功能（如中断、去抖动）。以下是详细说明：

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一、核心概念

1. GPIO控制器驱动
   • 内核通过GPIO控制器驱动管理硬件，如pinctrl子系统负责引脚复用和配置。
   • 控制器驱动需实现gpiolib接口，暴露GPIO编号和操作函数。
2. GPIO编号
   • 逻辑编号（如GPIO17）由控制器驱动分配，可能与物理引脚号不同。
   • 使用gpiochip前缀表示控制器（如gpiochip0）。

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二、用户空间操作

1. 通过Sysfs接口（传统方法）

# 导出GPIO到用户空间
echo 17 > /sys/class/gpio/export

# 设置方向（in/out）
echo out > /sys/class/gpio/gpio17/direction

# 读写值（0/1）
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio17/value
cat /sys/class/gpio/gpio17/value

# 取消导出
echo 17 > /sys/class/gpio/unexport

2. 使用libgpiod（推荐）

• 安装库：

  sudo apt-get install libgpiod-dev

• C语言示例：

  #include <gpiod.h>
  
  int main() {
      struct gpiod_chip *chip = gpiod_chip_open_by_name("gpiochip0");
      struct gpiod_line *line = gpiod_chip_get_line(chip, 17);
      gpiod_line_request_output(line, "my_gpio", 0);  // 初始输出0
  
      // 设置为高电平
      gpiod_line_set_value(line, 1);
  
      gpiod_line_release(line);
      gpiod_chip_close(chip);
      return 0;
  }

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三、内核空间操作

1. 内核模块示例

#include <linux/gpio.h>
#include <linux/module.h>

static int gpio_num = 17;
module_param(gpio_num, int, 0644);

static int __init my_gpio_init(void) {
    int ret;

    // 申请GPIO
    ret = gpio_request(gpio_num, "my_gpio");
    if (ret) {
        printk(KERN_ERR "Failed to request GPIO%d\n", gpio_num);
        return ret;
    }

    // 设置为输出模式
    ret = gpio_direction_output(gpio_num, 0);
    if (ret) {
        printk(KERN_ERR "Failed to set direction\n");
        gpio_free(gpio_num);
        return ret;
    }

    // 输出高电平
    gpio_set_value(gpio_num, 1);

    return 0;
}

static void __exit my_gpio_exit(void) {
    gpio_set_value(gpio_num, 0);  // 设置为低电平
    gpio_free(gpio_num);          // 释放GPIO
}

module_init(my_gpio_init);
module_exit(my_gpio_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

2. 中断处理

static irqreturn_t gpio_isr(int irq, void *dev_id) {
    printk(KERN_INFO "GPIO%d interrupt triggered\n", gpio_num);
    return IRQ_HANDLED;
}

// 在初始化函数中：
ret = gpio_to_irq(gpio_num);  // 获取中断号
ret = request_irq(ret, gpio_isr, IRQF_TRIGGER_RISING, "my_gpio_irq", NULL);

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四、关键API

函数/宏	作用
gpio_request()	申请GPIO
gpio_free()	释放GPIO
gpio_direction_input()	设置为输入模式
gpio_direction_output()	设置为输出模式
gpio_get_value()	读取输入值
gpio_set_value()	写入输出值
gpio_to_irq()	获取GPIO对应的中断号

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五、优势与注意事项

1. 优势
   • 安全性：避免直接操作物理地址导致的系统崩溃。
   • 可移植性：逻辑GPIO编号由控制器驱动抽象，代码无需修改即可适配不同硬件。
   • 高级功能：支持中断、去抖动、驱动强度配置等。
2. 注意事项
   • 资源释放：必须调用gpio_free()释放GPIO，避免泄漏。
   • 并发访问：在中断上下文中避免使用可能睡眠的函数（如printk）。
   • 权限管理：用户空间操作需root权限或配置udev规则。

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六、调试工具

• gpiodetect：列出所有GPIO控制器。
• gpioinfo：查看GPIO详细信息（方向、值、中断等）。
• gpioset：快速设置GPIO值（需libgpiod工具）。

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通过Linux GPIO子系统，开发者可以更高效、安全地操作GPIO，同时利用内核的抽象层实现跨平台兼容性。对于新项目，建议优先使用libgpiod库进行用户空间开发，内核模块则使用gpiolib API。