Linux学习笔记——
浅谈关于妙算GPIO的使用
青岛科技大学 信息科学技术学院 集成162 Listen C
一．背景
去大疆ROBOMASTERS的比赛，队长让我负责视觉，于是乎把妙算放在我这了。由于其他方面（机械、嵌入式）处理的不是很好，最后视觉也没用上，所以妙算俨然被我私藏了……当然不能让这小电脑真的变成铁壳，好歹性能甩树莓派好几条街呢，不能让它瞎在我这，由此入了Linux的坑。
作为一名资深的单片机小白，接触最多的便是GPIO的使用。无论是51，arduino，还是stm32，点灯无疑成为了单片机学习中的“HELLO WORLD”，虽然嵌入式Linux与单片机还是有相当大的区别，但是点个灯这种事大都会用得上嘛~。加之老师最近想用妙算的GPIO产生1ms的PWM，虽然考虑到跑操作系统的话速度可能会有问题换了方案，但是作为学（gao）习（shi），技多不压身，嘻嘻，那就试一下呗！
二．准备工作
首先，要对妙算的GPIO进行操作，要先了解妙算的GPIO（废话……）
关于妙算GPIO，最直接的资料便是官方的使用手册。
从官方的手册上得知，背面那26个IO大概是这样的。作为用户操作GPIO只有1个in1个out。当然点个灯的话已经足够了。
而关于Linux的GPIO操作，首先我们需要建立一种思想——一切皆文件。在Linux里，为了方便操作，GPIO被虚拟为文件，也就是说我们控制GPIO，实际上是对文件进行读写操作。
在官方的用户手册中提到了GPIO的文件位置，当然不提根据Linux的体系也都在那里。
除此之外，我们做的工作是点灯，关于LED的电路，想必这里应该不用再专门画个原理图了吧~。我们采用灌电流模式，即正极接vcc，负极接GPIO158，串联一个限流电阻，应该是最简单的电路了吧。这里不再累述。
三．Linux文件操作解释
关于Linux的文件操作，鄙人不才，从书中了解了一下，按自己的理解放在这里Mark一下，如果有不对的地方欢迎大家指点！
首先是Linux所包含的文件类型大概包括以下几种：
普通文件 regular
目录文件 directory
管道文件 pipe
套接字文件 socket
链接文件 link
字符设备文件 character
块设备文件 block
其中，除了目录文件和套接字文件以外，其余的都可以open。目录文件是我们常用的cd、dir等命令操作的，而套接字文件跟网卡相关。
而对于IO，又分为两大类：系统IO和标准IO。
系统IO是系统调用接口，相当于是最直接最原始的操作，在c语言中可以对其open(),read(),write(),lseek(),roctl(),close()等操作。
而标准IO是标准C库接口，是一种有缓冲可以多样化操作的方式，一般我们在学C语言时都是用的标准C库。由于其多样性的特点，后文只用一种方案实现不去深究。对它的操作可以用fopen(),fread(),fwrite(),fgets(),fputs(),fseek(),fprintf(),fscanf(),fclose()等函数。
需要注意的是，标准IO也可以按照系统IO的方法操作。
注意，网络接口只能用系统IO！
关于其他的注意事项，这里不再多谈，感兴趣的可以去看一下《Linux环境编程图文指南》这本书，写的很详细。
关于各函数的用法这里也不再一一解释，总之对文件的操作思路即打开文件，写数据，关闭文件。无论是控制台命令，还是各种语言的编程，思路都是一样的，不过是实现方法不同而已。
四．GPIO文件操作
对Linux的GPIO操作，大致分为如下三个步骤：
（1） 通过/sys/class/gpio/export文件先创建用户接口，让相应的gpio出现在我们可以操作的地方。
（2） 更改/sys/class/gpio/gpiox（x为引脚编号，如妙算的158接口就是gpio158）/direction文件的值改为in或out更改模式。
（3） 在out模式下，通过更改/sys/class/gpio/gpiox/value的值，0为低电平，1为高电平，来实现对gpio的操作。
当然gpio的功能还有许许多多，而且通过观察gpiox目录下的文件我们也能看到很多操作，这里不一一介绍，无论是怎样的操作都回归到文件读写。只要了解了各文件的功能就不难办了。
五．点灯
（一）控制台命令
用控制台命令是最简单直接的方法。
首先先让我们在root用户下定位到gpio的文件位置：
cd /sys/class/gpio/gpio158
这里有人会问，不应该先创建用户接口吗？没错，理论上是的，但是妙算已经给用户创建好了，不需要我们再去重复操作了。
接下来，就是按我们想的，点灯！点灯前先让其灭掉，灌电流模式高电平为灭。
echo 1 > value
点灯
echo 0 > value
这时再观察我们的小灯泡，如果亮了，那就证明成功了。
如果出现没有权限等的问题，很有可能是没进入root模式，作为小白的我还是热心的提醒一下大家在操作GPIO之前不要忘了
su root
当然这里又有人会问，既然是文件，我可不可以直接用gedit或vim直接打开更改呢？这里我亲自试了下，无论是哪种方式，都可以打得开，但是无法保存。这其实还是回到了Linux文件的理解上了。GPIO属于虚拟的文件系统，其文件内容是以输入输出流直接写在内存上的。而像这些文本编辑器，其原理是先将内容放进缓冲区，更改之后再保存。在硬盘上没有多大问题，而在内存中可能在你改完之后，这个文件就已经不是以前的该文件了，它是动态变化的。故只能通过文件流的方式操作。
（二）C语言实现
大家可能发现了，在控制台下操作固然容易了，但是如果想做一些程序化的操作反而不方便了，比如尝试产生PWM。所以用Python、C等语言会相对便利点。这里以C语言为例来看看怎么实现对GPIO的控制
这里我用的codeblocks在root用户下实现。
1. 系统IO方式点灯
/*
GPIO应用
妙算的GPIO2_OUT为158
方便调试，用unistd中的usleep延时微秒，sleep延时毫秒
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> //符号常量，在VC环境下不包含它可能会报错
#include <sys/ioctl.h> //GPIO Control
#include <sys/stat.h> //获取文件属性
#include <linux/fs.h> //与设备驱动程序有关
#include <fcntl.h> //改变已打开的文件性质
#include <string.h>
#include <termios.h> //参数设置
#include <errno.h>
int gpio_fd = -1; //document
int ret; //fail or success
char gpio[]="158";//gpio number
char dir[]="out"; //direction
char off[]="1"; //high
char on[]="0"; //low
int set_gpio_init()//create gpio document
{
//open
gpio_fd = open("/sys/class/gpio/export",O_WRONLY);
if(gpio_fd < 0)
{
printf("open gpio/export failed\:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
//write
ret = write(gpio_fd,gpio,strlen(gpio));
if(ret < 0)
{
printf("write to gpio/export failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
close(gpio_fd);
return 0;
}
int set_gpio158_dir()//set gpio direction
{
//open
gpio_fd = open("/sys/class/gpio/gpio158/direction",O_RDWR);
if(gpio_fd < 0)
{
printf("open /gpio158/direction failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
//write
ret = write(gpio_fd,dir,strlen(dir));
if(ret < 0)
{
printf("write to /gpio157/direction failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
close(gpio_fd);
return 0;
}
int set_gpio158_open()//open value
{
gpio_fd = open("/sys/class/gpio/gpio158/value",O_RDWR);
if(gpio_fd < 0)
{
printf("open /gpio158/value failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
}
int set_gpio158_close()//close value
{
close(gpio_fd);
return 0;
}
int set_gpio158_high()//echo 1 > value
{
ret = write(gpio_fd,off,strlen(off));
if(ret < 0)
{
printf("write to /gpio158/value failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
return 0;
}
int set_gpio158_low()//echo 0 >value
{
ret = write(gpio_fd,on,strlen(on));
if(ret < 0)
{
printf("write to /gpio158/value failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
return 0;
}
int main()
{
set_gpio158_open();
while(1)
{
printf("LED off\n");
set_gpio158_high();
sleep(5);
printf("LED on\n");
set_gpio158_low();
sleep(5);
}
set_gpio158_close();
return 0;
}
2. 标准IO方式点灯
/*
GPIO应用
妙算的GPIO2_OUT为158
方便调试，用unistd中的usleep延时微秒，sleep延时毫秒
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> //符号常量，在VC环境下不包含它可能会报错
#include <sys/ioctl.h> //GPIO Control
#include <sys/stat.h> //获取文件属性
#include <linux/fs.h> //与设备驱动程序有关
#include <fcntl.h> //改变已打开的文件性质
#include <string.h>
#include <termios.h> //参数设置
#include <errno.h>
FILE *gpio_fd; //document
int ret; //fail or success
char gpio[]="158";//gpio number
char dir[]="out"; //direction
int off=1; //high
int on=0; //low
int set_gpio_init()//create gpio document
{
//open
gpio_fd = fopen("/sys/class/gpio/export","w");
if(gpio_fd == NULL)
{
printf("open gpio/export failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
//write
ret = fprintf(gpio_fd,"%s",gpio);
if(ret < 0)
{
printf("write to gpio/export failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
fclose(gpio_fd);
return 0;
}
int set_gpio158_dir()//set gpio direction
{
//open
gpio_fd = fopen("/sys/class/gpio/gpio158/direction","w");
if(gpio_fd < 0)
{
printf("open /gpio158/direction failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
//write
ret = fprintf(gpio_fd,"%s",dir);
if(ret < 0)
{
printf("write to /gpio157/direction failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
fclose(gpio_fd);
return 0;
}
int set_gpio158_open()//open value
{
gpio_fd = fopen("/sys/class/gpio/gpio158/value","r+");
if(gpio_fd < 0)
{
printf("open /gpio158/value failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
}
int set_gpio158_close()//close value
{
fclose(gpio_fd);
return 0;
}
int set_gpio158_high()//echo 1 > value
{
set_gpio158_open();
ret = fprintf(gpio_fd,"%d",off);
set_gpio158_close();
if(ret < 0)
{
printf("write to /gpio158/value failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
return 0;
}
int set_gpio158_low()//echo 0 >value
{
set_gpio158_open();
ret = fprintf(gpio_fd,"%d",on);
set_gpio158_close();
if(ret < 0)
{
printf("write to /gpio158/value failed:%s\n",strerror(errno));
return -1;
}
return 0;
}
int main()
{
while(1)
{
printf("LED off\n");
set_gpio158_high();
sleep(5);
printf("LED on\n");
set_gpio158_low();
sleep(5);
}
return 0;
}
3. 模拟echo方式调节PWM
/*
GPIO应用
妙算的GPIO2_OUT为158
方便调试，用unistd中的usleep延时微秒，sleep延时毫秒
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> //符号常量，在VC环境下不包含它可能会报错
#include <sys/ioctl.h> //GPIO Control
#include <sys/stat.h> //获取文件属性
#include <linux/fs.h> //与设备驱动程序有关
#include <fcntl.h> //改变已打开的文件性质
#include <string.h>
#include <termios.h> //参数设置
#include <stdlib.h>
#define set_gpio158_Init() system("echo 157 > /sys/class/gpio/export")
#define set_gpio158_dir() system("echo out > /sys/class/gpio/gpio157/direction");
#define set_gpio158_low() system("echo 0 > /sys/class/gpio/gpio158/value")
#define set_gpio158_high() system("echo 1 > /sys/class/gpio/gpio158/value")
/*
PWM Mode
START 0 ->first low
1->first high
rat 0 - 100
rat%
cycle a cycle time
Ttype 1 -> um
1000 -> ms
1000000 -> s
Total time = cycle*Ttype us
*/
void Set_PWM(int START,int rat,int cycle,int Ttype)
{
if(START) set_gpio158_high();
else set_gpio158_low();
usleep(cycle*rat/100*Ttype);
if(START) set_gpio158_low();
else set_gpio158_high();
usleep(cycle*(100-rat)/100*Ttype);
}
int main()
{
int i,j=0;
printf("PWM start!\n");
while(1)
{
for(i=100;i>=0;i--)
Set_PWM(j,i,100,1000);
usleep(100*1000);
j = ~j;
}
return 0;
}
六．总结
在前两种方式下点灯效果正常，需要注意Linux版本不同包含的头文件会有差异，具体查询Linux内核版本请在控制台下输入一下命令：
uname –a
在PWM调节呼吸灯时，虽然可以看到有很粗略的“渐变”效果，但是很差。这也是我们担心的问题。的确可以让妙算进行毫秒级延时，但是因为跑操作系统有许许多多工作，导致波形非常不稳定，用示波器观察惨不忍睹。所以在这种情况下选择单片机做通信比直接控制要效果好很多。
这次的学习遇到不少问题，也有很多粗心大意导致结果不对。通过strerror(errno)输出错误信息，使得探索的过程中方便了很多。