8. 控制蜂鸣器（GPIO子系统）¶

本章讲解Linux GPIO子系统驱动相关应用层程序的控制原理。

本章的示例代码目录为：配套代码仓库/linux_app/beep。

8.1. GPIO子系统¶

GPIO是General Purpose I/O的缩写，即通用输入输出端口，简单来说就是MCU/CPU可控制的引脚，这些引脚通常有多种功能，最基本的是高低电平输入检测和输出，部分引脚还会与主控器的片上外设绑定，如作为串口、I2C、网络、电压检测的通讯引脚。

与LED子系统类似，Linux提供了GPIO子系统驱动框架，使用该驱动框架可以把CPU的GPIO引脚导出到用户空间，用户通过访问/sys文件系统进行控制，GPIO子系统支持把引脚用于基本的输入输出功能，其中输入功能还支持中断检测。在Linux内核源码的“Documentation/gpio”目录可找到关于GPIO子系统的说明。

通过GPIO子系统可以控制LED、蜂鸣器以及按键检测这类硬件设备，不过由于本开发板出厂的默认镜像中， LED灯使用了LED子系统驱动控制，按键使用了input输入子系统驱动控制，不方便在用户空间使用GPIO的方式进行实验，而蜂鸣器在驱动层中我们是使用GPIO子系统的，本章选择蜂鸣器作为示例讲解。

在Mini开发板上没有蜂鸣器，实验时可使用电压表检测对应引脚的电平输出。

8.1.1. GPIO设备目录¶

GPIO驱动子系统导出到用户空间的目录是“/sys/class/gpio”。

可使用如下命令查看：

#在开发板的终端使用以下命令查看
ls -lh /sys/class/gpio

#导出GPIO到用户空间
echo 45 > /sys/class/gpio/export

#查看目录的变化，增加了gpio45目录
ls /sys/class/gpio/

终端打印消息如下所示

root@npi:/# ls -lh /sys/class/gpio/
total 0
--w--w---- 1 root gpio 4.0K Apr  6 06:43 export
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip0 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip0
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip112 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip112
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip128 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip128
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip16 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip16
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip32 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip32
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip400 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller-z@54004000/gpio/gpiochip400
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip48 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip48
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip64 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip64
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip80 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip80
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 05:35 gpiochip96 -> ../../devices/platform/soc/soc:pin-controller@50002000/gpio/gpiochip96
--w--w---- 1 root gpio 4.0K Apr  6 06:46 unexport
root@npi:/# ls /sys/class/gpio/
export     gpiochip112  gpiochip16  gpiochip400  gpiochip64  gpiochip96
gpiochip0  gpiochip128  gpiochip32  gpiochip48   gpiochip80  unexport
root@npi:/# echo 45 > /sys/class/gpio/export
root@npi:/# ls /sys/class/gpio/
export  gpiochip0    gpiochip128  gpiochip32   gpiochip48  gpiochip80  unexport
gpio45  gpiochip112  gpiochip16   gpiochip400  gpiochip64  gpiochip96

可使用以下这条命令将gpio45从用户空间中取消导出

1	echo 45 > /sys/class/gpio/unexport

该目录下的主要内容说明如下：

export文件：导出GPIO，该文件只能写不能读，用户向该文件写入GPIO的编号N可以向内核申请将该编号的GPIO导出到用户空间，若内核本身没有把该GPIO用于其它功能，那么在/sys/class/gpio目录下会新增一个对应编号的gpioN目录，如上导出了gpio45。
unexport文件：export的相反操作，取消导出GPIO，该文件同样只能写不能读。往unexport写入45后，gpio45目录消失了。
gpiochipX目录：该目录是指GPIO控制器外设，Ubuntu主机上默认没有这样的功能。
gpioN目录：通过export导出的具体GPIO引脚的控制目录，如上图中的gpio45目录下会包含有控制该引脚的相应文件。

8.1.2. GPIO设备属性¶

gpioN目录下相关的设备文件，可以使用以下命令查看：

#在开发板的终端使用以下命令
#导出编号为45的GPIO
echo 45 > /sys/class/gpio/export
#查看gpio45目录下的内容
ls -lh /sys/class/gpio/gpio45/

打印消息如下所示

root@npi:/#  ls -lh /sys/class/gpio/gpio45/
total 0
-rw-r--r-- 1 root root 4.0K Apr  6 06:54 active_low
lrwxrwxrwx 1 root root    0 Apr  6 06:54 device -> ../../../gpiochip2
-rw-r--r-- 1 root root 4.0K Apr  6 06:54 direction
-rw-r--r-- 1 root root 4.0K Apr  6 06:54 edge
drwxr-xr-x 2 root root    0 Apr  6 06:54 power
lrwxrwxrwx 1 root gpio    0 Apr  6 06:47 subsystem -> ../../../../../../../class/gpio
-rw-r--r-- 1 root root 4.0K Apr  6 06:54 uevent
-rw-r--r-- 1 root root 4.0K Apr  6 06:54 value

常用的属性文件介绍如下：

direction文件：表示GPIO引脚的方向，它的可取值如下：
in：引脚为输入模式。
- out：引脚为输出模式，且默认输出电平为低。
- low：引脚为输出模式，且默认输出电平为低。
- high：引脚为输出模式，且默认输出电平为高。
value文件：表示GPIO的电平，1表示高电平，0表示低电平。GPIO被配置为输出模式，那么修改该文件的内容可以改变引脚的电平。
edge文件：用于配置GPIO的中断触发方式，当GPIO被配置为中断时，可以通过系统的poll函数监听。edge文件可取如下的属性值：
- none：没有使用中断模式。
- rising：表示引脚为中断输入模式，上升沿触发。
- falling：表示引脚为中断输入模式，下降沿触发。
- both：表示引脚为中断输入模式，边沿触发。

与LED子系统不同，当某个引脚被用于具体的LED设备时，该引脚会被设备占用，它的功能在用户空间是无法再被修改的，而使用GPIO子系统的设备则可以在用户空间灵活配置作为输入、输出或中断模式。

只要我们知道蜂鸣器的GPIO引脚编号，就可以就可以通过它导出的direction、value文件控制引脚输出高低电平，从而控制它发声了。当然，如果硬件上临时把该引脚修改为按键高低电平检测，此时也可以通过这些文件把引脚改为输入模式使用，而不需要修改Linux内核驱动。

8.2. 引脚编号转换¶

与LED驱动设备不一样，LED已经在内核驱动（设备树）绑定了具体引脚的端口号，最终直接以设备名字导出到用户空间，所以控制时只要通过设备文件即可控制，而不需要知道具体的硬件连接。使用GPIO子系统时，需要用户自主控制导出使用哪个引脚，所以我们要根据蜂鸣器的硬件连接来进行实验。

如下图:

从上图可了解到，蜂鸣器的控制引脚名为“PC13”，该引脚输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器响，引脚输出低电平时，电路断开，蜂鸣器不响。

本开发板中export文件使用的编号index与GPIO引脚名的转换关系如下：

index = Pnx = (n-‘A’)*16 + x

例如蜂鸣器使用的引脚编号为：index = PC13 = (‘C’-‘A’)*16 +13 = 45。

要注意并不是所有的引脚都能通过export文件导出到用户空间的，例如LED引脚所占用的引脚已经被用在了LED设备上。

8.3. 控制蜂鸣器（Shell）¶

下面使用命令行控制蜂鸣器，讲解GPIO子系统设备属性的应用。

由于在Ubuntu主机通常无法导出GPIO，请在开发板上执行以下命令测试,测试前需确保当前用户为root用户：

#以下命令在开发板上执行
#导出蜂鸣器使用的GPIO到用户空间
echo 45 > /sys/class/gpio/export

#确认出现了gpio45设备目录
ls /sys/class/gpio/

#控制gpio45方向为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio45/direction

#控制gpio45输出高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio45/value

#控制gpio45输出低电平
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio45/value

终端打印消息如下:

root@npi:/# echo 45 > /sys/class/gpio/export
root@npi:/# ls /sys/class/gpio/
export  gpiochip0    gpiochip128  gpiochip32   gpiochip48  gpiochip80  unexport
gpio45  gpiochip112  gpiochip16   gpiochip400  gpiochip64  gpiochip96
root@npi:/# echo out > /sys/class/gpio/gpio45/direction
root@npi:/# echo 1 > /sys/class/gpio/gpio45/value
root@npi:/# echo 0 > /sys/class/gpio/gpio45/value

命令执行的原理非常简单：

把蜂鸣器的编号写入到export文件，导出GPIO设备。
修改蜂鸣器设备属性direction文件值为out，把GPIO设置为输出方向。
修改蜂鸣器设备属性文件value的值为1或0，控制蜂鸣器响或不响。

8.4. 控制蜂鸣器（系统调用）¶

类似地，也可以通过系统调用的文件操作方式控制蜂鸣器。

工程中的beep_bsp.c文件包含了控制蜂鸣器相关的函数，见如下所示。

蜂鸣器驱动文件（配套代码仓库/linux_app/beep/c/sources/bsp_beep.c文件）¶

#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include "includes/bsp_beep.h"


int beep_init(void)
{
   int fd;
   //index config
   fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 1 ;

   write(fd, BEEP_GPIO_INDEX, strlen(BEEP_GPIO_INDEX));
   close(fd);

   //direction config
   fd = open("/sys/class/gpio/gpio" BEEP_GPIO_INDEX "/direction", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 2;

   write(fd, "out", strlen("out"));
   close(fd);

   return 0;
}

int beep_deinit(void)
{
   int fd;
   fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 1;

   write(fd, BEEP_GPIO_INDEX, strlen(BEEP_GPIO_INDEX));
   close(fd);

   return 0;
}


int beep_on(void)
{
   int fd;

   fd = open("/sys/class/gpio/gpio" BEEP_GPIO_INDEX "/value", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 1;

   write(fd, "1", 1);
   close(fd);

   return 0;
}

int beep_off(void)
{
   int fd;

   fd = open("/sys/class/gpio/gpio" BEEP_GPIO_INDEX "/value", O_WRONLY);
   if(fd < 0)
      return 1;

   write(fd, "0", 1);
   close(fd);

   return 0;
}

该代码说明如下：

beep_init函数：它使用了open、write、close等函数修改export和gpioN/direction文件，初始化蜂鸣器使用的引脚为输出模式。
beep_deinit函数：向unexport文件写入编号，取消导出。
beep_on和beep_off函数：往gpioN/value文件写入1和0，控制引脚输出高低电平。

本代码要特别注意的是export和unexport文件是只有写权限的，所以通过open打开时要使用“O_WRONLY”标志以写入方式打开，不能使用“O_RDWR”等带读模式的标志。

8.4.1. 主文件¶

编写完蜂鸣器的控制函数后，就可以在 main 函数中测试了，如下所示。

主函数（配套代码仓库/linux_app/beep/c/sources/main.c文件）¶

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include "includes/bsp_beep.h"

/**
   * @brief  主函数
   * @param  无
   * @retval 无
   */
int main(int argc, char *argv[])
{
   char buf[10];
   int res;
   printf("This is the beep demo\n");

   res = beep_init();
   if(res){
      printf("beep init error,code = %d",res);
      return 0;
   }

   while(1){
      printf("Please input the value : 0--off 1--on q--exit\n");
      scanf("%10s", buf);

      switch (buf[0]){
         case '0':
            beep_off();
            break;

         case '1':
            beep_on();
            break;

         case 'q':
            beep_deinit();
            printf("Exit\n");
            return 0;

         default:
            break;
      }
   }
}

在 main 函数中，调用我们前面定义的beep_init初始化蜂鸣器使用的GPIO，然后使用scanf检测用户输入，根据用户输入调用对应的函数控制蜂鸣器。

8.4.2. 编译及测试¶

本实验使用的Makefile相对于前面的章节仅修改了最终的可执行文件名为beep_demo。

本实验不支持在Ubuntu主机上进行。

对于ARM架构的程序，可使用如下步骤进行编译：

#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#编译arm平台的程序
make ARCH=arm

编译后生成的ARM平台程序为build_arm/beep_demo，使用网络文件系统共享至开发板，在开发板的终端上运行该程序测试即可。

如下图:

程序执行后会提示输入，在终端输入1并回车后蜂鸣器会响，输入0并回车后蜂鸣器不响。