在Raspberry Pi B+ & Pi2 上面學 Linux 驅動程式開發 -- GPIO -- 使用 gpio library

實驗名稱

    Raspberry Pi B+ & Pi2, Linux 驅動程式開發 -- GPIO -- 使用 gpio library

實驗目的

    簡單介紹在Raspberry Pi Linux 系統底下，如何使用GPIO來撰寫模組。

使用材料及設備

    硬體: Raspberry Pi B+ or Pi2

    軟體: 可編譯 Linux Module 的 Raspbian 系統。

原理介紹

GPIO 是嵌入式系統中極為重要的功能，但是在一般的桌機與筆電系統之中卻很少見。一般MCU在操作GPIO時是直接透過寫入資料到對應的暫存器來控制其輸出入。然而在 Raspberry Pi 的 Linux 系統底下因為虛擬記憶體空間的機制，使得無法如此直接使用，而須再透過系統函式得到一組記憶體映射位置之後，再透過該記憶體映射間接控制 GPIO。

本篇文章會使用艾鍗科技出產的教學子板來做示範-- 在模組之中控制GPIO點亮板子上的LED燈。無子板的話也可以使用麵包板自行實作電路達到相同的效果。

程式說明

程式碼內容

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程式架構

此範例模組主要架構實作了一個字元裝置驅動程式模組-- 支援使用者空間 open()、read()、write()、close() 四個系統呼叫函式。而使用此四個系統呼叫實作控制GPIO 來點亮對應針腳的LED燈。LED0 為 GPIO.22 (針腳第 15 針) ，LED1 為 GPIO.27 (針腳第 13 針)。

此範例的字元裝置驅動程式檔為 /dev/myLED0 和 /dev/myLED1 。透過對此兩個檔案使用系統呼叫函式 write() 可寫入一個字串，模組會判斷字串的第一個字元，如果其值為 '1' 則點亮相對應的LED燈(GPIO輸出為high-level )，其值為 '0' 則關掉相對應的 LED 燈(GPIO輸出為 low-level)。

整個模組為一個字元裝置驅動程式，故模組一個進入點 init_module() 一個離開點 cleanup_moudle()。

使用者空間的程式使用到 open() 來呼叫字元裝置驅動檔時會得到一個檔案描述子並開始操作。而同時，模組會呼叫註冊進系統的函式 my_open() 。

使用者空間程式使用 close() 代入檔案描述子則結束和模組的溝通。而同時，模組會呼叫註冊進系統的函式 my_close()來做處理 。

使用者空間程式使用write()時，可以寫入字串資料進去模組之中。而同時，系統會呼叫 my_write() 函式。在 my_write() 之中，可以用 copy_from_user() 函式來得到使用者空間程式所傳進來的字串。得到字串之後就可以進行後續的處理。

使用者空間程式使用read()時，可以由模組讀取字串資料。而同時，系統會呼叫 my_read() 函式。在 my_read() 之中，可以用 copy_to_user() 函式來傳遞相對應的字串給使用者空間程式。

程式碼說明

此程式碼有兩個重點，一個是在模組進入點 init_module() 函式裡面，要如得到GPIO的映射記憶體位置。另一個則是在 my_write()和 my_read() 函式之中如何讀取與操作 GPIO。

使用 GPIO API 

因為 Raspberry pi B+ 和 Raspberry pi 2 使用的CPU是不同的，所以很多暫存器記憶體位置並不相同，因此模組撰寫時直接使用到特定暫存器位置的程式碼，往往在平台升級改版之後就失去功用。因此此範例使用了Linux 核心 GPIO工具函式。下面就先介紹此範例中會用到的部份。

設定 GPIO 

在模組內使用核心提供的函式使用GPIO是需要用"申請"的方式來做，而且在向系統申請之前，還需要先確認該GPIO是否已經被其他模組申請占用了。下面這個函式就確認是否指定的GPIO號碼是否尚未被占用。如果該GPIO是可以用的，則回傳1，否則回傳一個負值 :

int gpio_is_valid(GPIO_number);

此次範例中，用到 BCM22 (第15根針)做為 LED0 而 BCM27 (第13根針)為 LED1 。不過因為網路上很多 library 會自行定義 GPIO 腳位號碼，但模組裡面所用的是官方文件的定義:

http://pi.gadgetoid.com/pinout

所以模組一開始就定義 LED0_GPIO 為 22 其實就是上面連結裡的 BCM22 ，而相同的LED1_GPIO 為 27 就是指官網裡面的 BCM27 。所以我們會先確認LED0_GPIO和LED1_GPIO是否有人占用:

gpio_is_valid(LED0_GPIO);
gpio_is_valid(LED1_GPIO);

確認回傳值為 1 之後，就提出使用申請，否則顯示錯誤訊息並結束模組。提出使用申請的函式:

int gpio_request(GPIO_NUM, "GPIO_LABEL");

如果申請失敗會回傳 負值，而成功的話會傳回 0 ，不成功就傳回其他值。而裡面的"GPIO_LABEL"的部份就是你幫這個GPIO取的名字的字串，平時不會用到，但如果遇到需要 debug 的時候可能會有用，所以建議還是取個名字比較好。

申請到 GPIO 之後，第一件事情是，設定該 GPIO 是輸入還是輸出?  輸出的話，起始狀態是要設 high-level 還是 low-level ?。先說設定 GPIO 為輸入的函式:

gpio_direction_input(GPIO_NUM);

如果要設定 GPIO 為輸出，並順便設定輸出狀態。

gpio_direction_output(GPIO_NUM, level );

傳入的參數 level 如果為 1 則輸出為 high-level，如果為 0 則輸出為 low-level。所以此範例的GPIO設定可以簡單歸納如下:

if(gpio_is_valid(LED0_GPIO)){
    gpio_request(LED0_GPIO);
    gpio_direction_output(LED0_GPIO, 0);
} else{
    return -1;
}

讀取 GPIO 狀態

讀取指定 GPIO 的狀態的函式如下:

int level = gpio_get_value(GPIO_NUM);

如果 GPIO 的電位為 high-level 則回傳值為 1 ，為low-level 則回傳值為 0。注意的是，就算不是設定該GPIO為輸入也可以進行讀取的動作。

而此次範例的讀取動作是在使用者空間程式進行檔案操作函式 read() 時，系統去呼叫對應函式 my_read() 時，回報給使用者空間GPIO狀態用的。

控制 GPIO 輸出狀態

控制 GPIO的輸出所使用的函式:

gpio_set_value(GPIO_NUM, level);

level 值為 1 則輸出為 high-level，值為 0 則輸出為 low-level。此範例在跟據使用者空間程式之中用 write() 傳到 my_write() 之中的字串資料來設定  LED0 或 LED1 的亮暗。 my_write() 函式一開始就要先得到次要裝置號碼(minor number)，來判斷使用者空間程式是使用 myLED0 還是 myLED1，然後再判斷傳進來的字串的第一個字元是 '1' 還是 '0' 來切換 對應LED燈的亮暗。

釋放 GPIO 資源

當模組結束的時候，記得要把申請來的 GPIO 給釋放掉，不然之後有模組要申請的時候會過不了。而釋放 GPIO 所用的函式為:

gpio_free(GPIO_NUM);

一般來說會在模組離開點函式 clearup_moudle()裡面進行。


執行結果