3. 充满Linux风格地控制树莓派GPIO¶

3.1. 徒手点亮一盏LED¶

是的，借助sysfs接口，现在我们可以仅仅依靠几条Linux终端命令，点亮一盏LED。这盏LED连接在P1-11管脚，GPIO编号17，高电平点亮。我们进入 /sys/class/gpio 目录，这里是GPIO的控制接口所在地。

pi@raspberrypi ~ $ cd /sys/class/gpio/
pi@raspberrypi ~ $ ls
export  gpiochip0  unexport

目录下有3个文件（夹）

• export，负责导出GPIO接口
• gpiochip0，GPIO控制器0的控制接口
• unexport，负责取消GPIO接口的导出

我们往export写入“17”，导出GPIO17控制接口————gpio17文件夹

pi@raspberrypi /sys/class/gpio $ sudo echo 17 > export
pi@raspberrypi /sys/class/gpio $ ls
export  gpio17  gpiochip0  unexport
pi@raspberrypi /sys/class/gpio $ ls gpio17
active_low  direction  edge  power  subsystem  uevent  value

gpio17文件夹下，我们用到direction和value两个接口

• direction

  配置GPIO为输入或输出。写入“out”为输出，“in”为输入，默认输出。

• value

  GPIO电平，任何非零的值都被认为是高电平。

输入指令

pi@raspberrypi /sys/class/gpio $ sudo echo out > gpio17/direction
pi@raspberrypi /sys/class/gpio $ sudo echo 1 > gpio17/value

此时，可以看到LED已经被点亮了。熄灭LED，并取消GPIO17的导出，则输入指令

pi@raspberrypi /sys/class/gpio $ sudo echo 0 > gpio17/value
pi@raspberrypi /sys/class/gpio $ sudo echo 17 > unexport
pi@raspberrypi /sys/class/gpio $ ls
export  gpiochip0  unexport

现在gpio17文件夹消失了，GPIO17的导出已经被取消。硬件资源是宝贵的，使用完之后，都应该及时释放。

这个例程的C语言版本位于 https://github.com/openRPi/gpio/tree/master/sysfs/blink

小结：

• GPIO的sysfs接口位于 /sys/class/gpio
• 写入GPIO编号到 export，可导出GPIO控制接口
• 写入“out”到 gpioN/direction，将GPIO_N配置为输出
• 写入“1”或“0”到 gpioN/value，置位或复位GPIO_N
• 写入GPIO编号到 export，取消导出GPIO控制接口

3.2. 按键检测和中断¶

？

3.3. GPIO控制的原理¶

树莓派的CPU是ARM架构的（什么是ARM架构？）。这种架构的机器把GPIO的控制寄存器和运行RAM看成一体。也是就说，在ARM架构的CPU看来，GPIO控制寄存器同样位于运行RAM的地址空间，CPU可以像访问RAM一样访问GPIO控制寄存器。

在树莓派的/dev目录下，存在一个特殊的设备接口———— /dev/mem，它是树莓派物理内存的全映像，可以用来从用户空间访问物理内存。BCM2835函数库就是利用了 /dev/mem 设备接口，实现从用户空间控制GPIO。

当我们需要将某GPIO置位/复位时，通常经历了以下几个步骤：

1. 打开/dev/mem文件
2. 根据虚拟内存和物理内存地址映射关系（这是什么？），找出这个GPIO的控制寄存器的虚拟地址
3. 操作GPIO的控制寄存器
4. 使用结束，关闭 /dev/mem 文件

BCM2835函数库封装了上述过程。了解它的详细工作原理，可以阅读函数库源码 https://github.com/openRPi/gpio/tree/master/lib

现在，我们利用/dev/mem设备接口，再次点亮一盏LED。实验例程位于 https://github.com/openRPi/gpio/tree/master/dev_mem/blink ，它展示了通过/dev/mem设备接口控制硬件的一般步骤。

实验涉及的LED连接在P1-11管脚，GPIO编号17。

查阅[BCM2835芯片datasheet](https://github.com/openRPi/gpio/blob/master/resource/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf)得知

• GPIO控制寄存器簇基址：20200000H
• GPIO17功能配置寄存器 GPFSEL1：20200004H
• 置位寄存器 GPSET0：2020001cH
• 复位寄存器 GPCLR0：20200028H

我们用 open 函数打开 /dev/mem

int mem_fd=0;
mem_fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC))

并将GPIO控制寄存器簇基址（物理地址）映射到用户空间能访问的虚拟地址。映射工作由 mmap 函数完成。

volatile int * gpio=MAP_FAILED;
gpio = mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, mem_fd, GPIO_BASE);

mmap 函数执行成功后，我们可以通过 gpio 指针访问到真实的物理地址。

设置GPIO17为输出：将 GPFSEL1 的23到21位设为 001

*(gpio+GPFSEL1/4) &= ~0xE00000;
*(gpio+GPFSEL1/4) |= 1<<21;

置位GPIO17：置位GPSET0的第17位。这段代码执行成功后，LED被点亮了。

*(gpio+GPSET0/4) = 1<<17;

复位GPIO17：置位 GPCLR0 的第17位。LED熄灭。

*(gpio+GPCLR0/4) = 1<<17;

解除映射并关闭 /dev/mem

munmap(&gpio,4096);
close(mem_fd);