嵌入式 Linux 如何操作 GPIO ？
在嵌入式 Linux 系统中，GPIO（通用输入输出）的操控是硬件交互中最基础也是最核心的部分。它就像是给微控制器一个直接与外部世界对话的“触手”，通过这些“触手”，我们可以读取传感器的状态，控制LED的亮灭，驱动继电器，甚至与更复杂的外部设备进行通信。
要理解嵌入式 Linux 如何操作 GPIO，我们得先明白 Linux 内核是如何将底层的硬件抽象出来的。在 Linux 这个强大的操作系统下，直接操作寄存器的方式是行不通的（或者说，非常不推荐）。取而代之的是，内核提供了一套标准的接口和机制，让应用程序可以在一个相对统一的环境下与硬件打交道。
对于 GPIO 来说，最常见的操作方式是通过 sysfs 文件系统。sysfs 是 Linux 内核暴露硬件信息和进行配置的一个虚拟文件系统。你可以把它想象成一个由内核动态生成的文件和目录结构，它反映了系统中存在的所有设备及其属性。
具体到 GPIO，sysfs 会在 `/sys/class/gpio/` 目录下创建一些控制文件。要使用一个 GPIO 引脚，你需要先“导出”（export）它。这个过程有点像是在 Linux 系统中“注册”一个设备，让系统知道你打算使用这个 GPIO。
假设你的硬件平台有一个 GPIO 引脚，在 Linux 系统中被分配了一个编号，比如 GPIO 17。要导出它，你需要在 `/sys/class/gpio/` 目录下找到一个名为 `export` 的文件，然后将你想要控制的 GPIO 编号写入这个文件。例如，通过命令行操作的话，就是 `echo 17 > /sys/class/gpio/export`。
一旦 GPIO 被导出，系统会在 `/sys/class/gpio/` 目录下为这个特定的 GPIO 创建一个以其编号命名的子目录，例如 `/sys/class/gpio/gpio17/`。在这个目录下，你会发现几个重要的文件：
`direction`: 这个文件决定了这个 GPIO 引脚是作为输入还是输出。
如果你想让它成为输出引脚，就向 `direction` 文件写入字符串 `"out"`。
如果你想让它成为输入引脚，就写入 `"in"`。
`value`: 这个文件控制着 GPIO 的实际电平状态。
如果该 GPIO 被设置为输出，向 `value` 文件写入 `"1"` 会让引脚输出高电平，写入 `"0"` 则输出低电平。
如果该 GPIO 被设置为输入，读取 `value` 文件就会告诉你当前引脚的电平状态，读到 `"1"` 表示高电平，读到 `"0"` 表示低电平。
`edge`: 这个文件用于配置当 GPIO 引脚电平发生变化时，是否产生中断（event notification）。
写入 `"none"` 表示不产生中断。
写入 `"rising"` 表示当电平从低到高变化时产生中断。
写入 `"falling"` 表示当电平从高到低变化时产生中断。
写入 `"both"` 表示电平发生任何变化时都产生中断。
一旦你配置了 `direction` 和 `edge`，你就可以通过读写 `value` 文件来控制或读取 GPIO 的状态了。
举个例子：
假设我们要让一个连接到 GPIO 17 的 LED 亮起来。
1. 导出 GPIO 17:
```bash
echo 17 > /sys/class/gpio/export
```
操作成功后，会在 `/sys/class/gpio/` 下看到 `gpio17` 目录。
2. 设置为输出模式:
```bash
echo out > /sys/class/gpio/gpio17/direction
```
3. 设置输出为高电平（点亮 LED）:
```bash
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio17/value
```
如果要让 LED 熄灭，则执行：
```bash
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio17/value
```
再举个例子：
假设我们要读取一个连接到 GPIO 18 的按钮的状态，当按钮按下时，GPIO 18 会变为高电平。
1. 导出 GPIO 18:
```bash
echo 18 > /sys/class/gpio/export
```
2. 设置为输入模式:
```bash
echo in > /sys/class/gpio/gpio18/direction
```
3. 读取按钮状态:
```bash
cat /sys/class/gpio/gpio18/value
```
如果按钮没按下，输出通常是 `0`；如果按钮被按下，输出就是 `1`。
更进一步：使用中断
对于需要实时响应外部事件的场景，仅仅通过轮询 `value` 文件是不够高效的。这时候就需要利用 GPIO 的中断功能。
1. 配置中断:
假设我们希望在按钮按下（GPIO 18 变为高电平）时触发一个事件。
```bash
echo rising > /sys/class/gpio/gpio18/edge
```
2. 等待中断:
当 `edge` 被设置为 `rising`、`falling` 或 `both` 后，`/sys/class/gpio/gpio18/` 目录下会出现一个名为 `uevent` 的文件（或者通过其他机制，例如 `poll()` 系统调用）。应用程序可以通过读取 `uevent` 文件或者使用 `poll()` 函数来等待 GPIO 状态的改变。当 GPIO 状态发生预设变化时，内核会通知应用程序。
需要注意的是：
权限问题: 访问 `/sys/class/gpio/` 目录下的文件通常需要 root 权限。在实际应用开发中，我们会通过编写 C/C++ 程序，或者使用一些用户空间的库（如 `libgpiod`）来封装这些操作，并可能通过设置文件权限或运行在具有足够权限的用户下。
引脚复用（Pin Multiplexing）: 在很多嵌入式 SoC（System on Chip）中，一个物理引脚可能可以被配置成多种功能，例如 GPIO、UART、SPI、I2C 等。在使用 GPIO 之前，可能还需要通过其他方式（如设备树 `device tree`）来配置引脚的复用功能，确保它被设置为 GPIO 模式。
`libgpiod` 库: 随着系统发展，直接操作 sysfs 文件存在一些限制，例如竞态条件、不易于管理等。现在更推荐使用 `libgpiod` 这个用户空间库。它提供了一套 C API，可以更方便、更安全地管理 GPIO，并且支持更高级的特性，如 GPIO 芯片（chip）的概念，可以管理一个 SoC 上的所有 GPIO，以及更精细的控制。例如，使用 `libgpiod` 可以直接打开一个 GPIO 芯片，获取特定编号的 GPIO 线，然后设置其方向、值，或者订阅其事件。
总而言之，在嵌入式 Linux 中操作 GPIO，是从抽象的 `export` 开始，通过配置 `direction` 来决定输入输出，然后通过读写 `value` 来获取或设置电平。而对于需要高效响应的场景，`edge` 和中断机制则提供了强大的支持。现代的开发则更多地倾向于使用 `libgpiod` 这样的库来简化和规范GPIO的操作。
要理解嵌入式 Linux 如何操作 GPIO，我们得先明白 Linux 内核是如何将底层的硬件抽象出来的。在 Linux 这个强大的操作系统下，直接操作寄存器的方式是行不通的（或者说，非常不推荐）。取而代之的是，内核提供了一套标准的接口和机制，让应用程序可以在一个相对统一的环境下与硬件打交道。
对于 GPIO 来说，最常见的操作方式是通过 sysfs 文件系统。sysfs 是 Linux 内核暴露硬件信息和进行配置的一个虚拟文件系统。你可以把它想象成一个由内核动态生成的文件和目录结构，它反映了系统中存在的所有设备及其属性。
具体到 GPIO，sysfs 会在 `/sys/class/gpio/` 目录下创建一些控制文件。要使用一个 GPIO 引脚，你需要先“导出”（export）它。这个过程有点像是在 Linux 系统中“注册”一个设备，让系统知道你打算使用这个 GPIO。
假设你的硬件平台有一个 GPIO 引脚，在 Linux 系统中被分配了一个编号，比如 GPIO 17。要导出它，你需要在 `/sys/class/gpio/` 目录下找到一个名为 `export` 的文件，然后将你想要控制的 GPIO 编号写入这个文件。例如，通过命令行操作的话，就是 `echo 17 > /sys/class/gpio/export`。
一旦 GPIO 被导出，系统会在 `/sys/class/gpio/` 目录下为这个特定的 GPIO 创建一个以其编号命名的子目录，例如 `/sys/class/gpio/gpio17/`。在这个目录下，你会发现几个重要的文件：
`direction`: 这个文件决定了这个 GPIO 引脚是作为输入还是输出。
如果你想让它成为输出引脚，就向 `direction` 文件写入字符串 `"out"`。
如果你想让它成为输入引脚，就写入 `"in"`。
`value`: 这个文件控制着 GPIO 的实际电平状态。
如果该 GPIO 被设置为输出，向 `value` 文件写入 `"1"` 会让引脚输出高电平，写入 `"0"` 则输出低电平。
如果该 GPIO 被设置为输入，读取 `value` 文件就会告诉你当前引脚的电平状态，读到 `"1"` 表示高电平，读到 `"0"` 表示低电平。
`edge`: 这个文件用于配置当 GPIO 引脚电平发生变化时，是否产生中断（event notification）。
写入 `"none"` 表示不产生中断。
写入 `"rising"` 表示当电平从低到高变化时产生中断。
写入 `"falling"` 表示当电平从高到低变化时产生中断。
写入 `"both"` 表示电平发生任何变化时都产生中断。
一旦你配置了 `direction` 和 `edge`，你就可以通过读写 `value` 文件来控制或读取 GPIO 的状态了。
举个例子：
假设我们要让一个连接到 GPIO 17 的 LED 亮起来。
1. 导出 GPIO 17:
```bash
echo 17 > /sys/class/gpio/export
```
操作成功后，会在 `/sys/class/gpio/` 下看到 `gpio17` 目录。
2. 设置为输出模式:
```bash
echo out > /sys/class/gpio/gpio17/direction
```
3. 设置输出为高电平（点亮 LED）:
```bash
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio17/value
```
如果要让 LED 熄灭，则执行：
```bash
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio17/value
```
再举个例子：
假设我们要读取一个连接到 GPIO 18 的按钮的状态，当按钮按下时，GPIO 18 会变为高电平。
1. 导出 GPIO 18:
```bash
echo 18 > /sys/class/gpio/export
```
2. 设置为输入模式:
```bash
echo in > /sys/class/gpio/gpio18/direction
```
3. 读取按钮状态:
```bash
cat /sys/class/gpio/gpio18/value
```
如果按钮没按下，输出通常是 `0`；如果按钮被按下，输出就是 `1`。
更进一步：使用中断
对于需要实时响应外部事件的场景，仅仅通过轮询 `value` 文件是不够高效的。这时候就需要利用 GPIO 的中断功能。
1. 配置中断:
假设我们希望在按钮按下（GPIO 18 变为高电平）时触发一个事件。
```bash
echo rising > /sys/class/gpio/gpio18/edge
```
2. 等待中断:
当 `edge` 被设置为 `rising`、`falling` 或 `both` 后，`/sys/class/gpio/gpio18/` 目录下会出现一个名为 `uevent` 的文件（或者通过其他机制，例如 `poll()` 系统调用）。应用程序可以通过读取 `uevent` 文件或者使用 `poll()` 函数来等待 GPIO 状态的改变。当 GPIO 状态发生预设变化时，内核会通知应用程序。
需要注意的是：
权限问题: 访问 `/sys/class/gpio/` 目录下的文件通常需要 root 权限。在实际应用开发中，我们会通过编写 C/C++ 程序，或者使用一些用户空间的库（如 `libgpiod`）来封装这些操作，并可能通过设置文件权限或运行在具有足够权限的用户下。
引脚复用（Pin Multiplexing）: 在很多嵌入式 SoC（System on Chip）中，一个物理引脚可能可以被配置成多种功能，例如 GPIO、UART、SPI、I2C 等。在使用 GPIO 之前，可能还需要通过其他方式（如设备树 `device tree`）来配置引脚的复用功能，确保它被设置为 GPIO 模式。
`libgpiod` 库: 随着系统发展，直接操作 sysfs 文件存在一些限制，例如竞态条件、不易于管理等。现在更推荐使用 `libgpiod` 这个用户空间库。它提供了一套 C API，可以更方便、更安全地管理 GPIO，并且支持更高级的特性，如 GPIO 芯片（chip）的概念，可以管理一个 SoC 上的所有 GPIO，以及更精细的控制。例如，使用 `libgpiod` 可以直接打开一个 GPIO 芯片，获取特定编号的 GPIO 线，然后设置其方向、值，或者订阅其事件。
总而言之，在嵌入式 Linux 中操作 GPIO，是从抽象的 `export` 开始，通过配置 `direction` 来决定输入输出，然后通过读写 `value` 来获取或设置电平。而对于需要高效响应的场景，`edge` 和中断机制则提供了强大的支持。现代的开发则更多地倾向于使用 `libgpiod` 这样的库来简化和规范GPIO的操作。
网友意见
很不幸，Linux只是强制了用户程序接口，对于底层GPIO的完全由驱动或CPU 的MACHINE自行处理。
不同CPU的处理GPIO的流程，寄存器完全不一样，差别还很大。有兴趣你可以比较一个Intel Xscale t 和S3C6410 CPU的GPIO读写流程，完全不一样。 所以做出以一个通用 GPIO的驱动不可能的。而且往往不止一个头文件。
幸运的是，GPIO又最常见操作，所以在产家往往在自己的CPU的arch的源码和常用驱动实现， 你抄代码就行了。
至于前面那个说用read ,ioctl之类，那是开发人员已经封装这个驱动情况，才能这样用。
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