mem 设备控制 GPIO - C程序通过sysfs文件系统使用GPIO中断

提示：通过 mem 设备控制 GPIO 知识点；使用C程序通过sysfs文件系统使用GPIO中断

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前言

通过io 操作实现点亮LED灯操作。 但是IO操作的都是寄存器地址，所以先搞清楚寄存器知识点。

参考资料

GPIO 控制和操作-使用命令通过sysfs文件系统控制GPIO
RK3568驱动指南｜第十二篇 GPIO子系统-第129章 GPIO控制和操作实验
使用C程序通过sysfs文件系统控制gpio
rk3588写入寄存器
linux IO指令 读写GPIO口电平实例
操作寄存器来控制GPIO-点亮LED灯

• 这里目标是LED灯点亮实验，在寄存器控制GPIO基础上进一步底层抽象，用mem设备来控制GPIO
• 在C程序控制sysfs文件系统控制GPIO基础上，进一步了解、掌握 C程序通过sysfs文件系统，使用GPIO中断

这本身是两个知识点，但都很重要，有必要进一步理解学习。

一、通过 mem 设备控制 GPIO

/dev/mem 设备 知识点

/dev/mem 是一个特殊的字符设备文件，它提供了对整个物理内存的直接访问。通过这个设备，用户空间程序可以读写任意的物理内存地址。

• 在某些情况下， 我们可能无法直接使用 IO 命令来访问 GPIO 寄存器， 或者希望使用更高级的抽象来控制硬件。 这时， 可以使用/dev/mem 设备来操作物理内存， 以实现对 GPIO
  寄存器的访问。

• 通过打开/dev/mem 设备文件， 并将其映射到用户空间的内存中， 我们可以直接读写物理内存地址， 从而实现对 GPIO 寄存器的控制。 这种方法相对于 IO 命令更加灵活， 可以使用更高级的编程语言（如 C/C++） 来编写控制逻辑。

控制源码程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>#define GPIO_REG_BASE 0xFDD60000                                     // GPIO base address
#define GPIO_SWPORT_DDR_L_OFFSET 0x0008                   // DDR   direction mode   offset
#define GPIO_SWPORT_DR_L_OFFSET 0x0000                     // DR   direction mode   offset
#define SIZE_MAP 0x1000// 打开LED灯
void LED_ON(unsigned char *base)
{// 设置LED灯的方向为输出*(volatile unsigned int *)(base + GPIO_SWPORT_DDR_L_OFFSET) = 0x80008044;// 将LED灯打开*(volatile unsigned int *)(base + GPIO_SWPORT_DR_L_OFFSET) = 0x80008044;
}// 关闭LED灯
void LED_OFF(unsigned char *base)
{// 设置LED灯的方向为输出*(volatile unsigned int *)(base + GPIO_SWPORT_DDR_L_OFFSET) = 0x80008044;// 将LED灯关闭*(volatile unsigned int *)(base + GPIO_SWPORT_DR_L_OFFSET) = 0x80000044;
}int main(int argc, char *argv[])
{int fd;unsigned char *map_base;// 打开/dev/mem设备fd = open("/dev/mem", O_RDWR);if (fd < 0){printf("open /dev/mem error \n");return -1;}// 将物理地址映射到用户空间map_base = (unsigned char *)mmap(NULL, SIZE_MAP, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, GPIO_REG_BASE);if (map_base == MAP_FAILED){printf("map_base error \n");return -2;}while (1){// 打开LED灯LED_ON(map_base);// 等待1秒usleep(1000000);// 关闭LED灯LED_OFF(map_base);// 等待1秒usleep(1000000);}// 解除映射munmap(map_base, SIZE_MAP);// 关闭文件描述符close(fd);return 0; // 返回0表示程序正常退出
}

将 控制程序编译成可执行文件，然后拷贝到开发板上，执行即可实现LED的亮灭闪烁：

  ./gpioctrl_by_mem  15

map_base 函数分析

mmap（memory map）函数用于将设备内存或文件映射到进程的地址空间，从而允许应用程序直接通过内存访问来操作硬件寄存器。

参数详解

addr - 映射起始地址

• 建议设为 NULL，由内核自动选择合适地址

• 如果指定地址，通常需要页对齐（sysconf(_SC_PAGE_SIZE)）

• 非 NULL 时，内核会将其作为提示，但不保证使用该地址

length - 映射区域长度

• 映射的字节数

• 实际会向上取整到系统的页大小整数倍

• 可以通过 sysconf(_SC_PAGE_SIZE) 获取页大小

prot - 内存保护标志

控制对映射内存的访问权限，可以组合使用：

标志	说明	值
PROT_READ	页面可读	0x1
PROT_WRITE	页面可写	0x2
PROT_EXEC	页面可执行	0x4
PROT_NONE	页面不可访问	0x0

常用组合：

PROT_READ | PROT_WRITE    // 可读写
PROT_READ                 // 只读
PROT_READ | PROT_EXEC     // 可读可执行

flags - 映射类型和选项

控制映射的行为和特性：

映射类型（必选其一）：

• MAP_SHARED：共享映射，修改对其他进程可见，会写回文件

• MAP_PRIVATE：私有映射，修改不会写回文件，采用写时复制

其他选项（可选）：

• MAP_FIXED：必须使用指定的 addr，如果不可用则失败

• MAP_ANONYMOUS：创建匿名映射，不关联文件（此时 fd 应为 -1）

• MAP_LOCKED：锁定页面在内存中，防止被换出

• MAP_NORESERVE：不为交换空间预留空间

fd - 文件描述符

• 要映射的文件描述符
• 对于匿名映射，设为 -1

offset - 文件偏移量

• 从文件开头算起的偏移量
• 必须是系统页大小的整数倍

mem 控制业务分析和步骤

如上对于mem源码控制代码中，核心流程其实就是通过寄存器直接控制的程序代码化

• 假使已经实现类 IO口的GPIO复用，那么第一步 mmap 函数实现 将物理地址映射到用户空间
• 提前通过操作手册，找到 GPIO方向GPIO_SWPORT_DDR_L_OFFSET 和 GPIO 高低电平的 GPIO_SWPORT_DR_L_OFFSET 偏移量
• 最后通过 映射mmap函数拿到基地址到用户空间，然后用户空间拼接方向模式、高低电平具体的值，赋值实际控制的值即可 立刻同步到内核空间，进而通过mem 机制实现了控制GPIO功能

控制GPIO方案 mmap-sysfs-字符设备 比较

替代方案比较

方法	性能	复杂度	灵活性	适用场景
mmap	高	中	高	高性能、实时控制
sysfs	低	低	低	简单应用、调试
字符设备	中	中	中	生产环境

通过 mmap 直接映射 GPIO 寄存器内存，可以实现最高性能的 GPIO 控制，特别适合需要快速响应和精确时序控制的嵌入式应用。

二、使用C程序通过sysfs文件系统使用GPIO中断

通过 GPIO 的输入中断程序， 将中断触发方式设置为边沿触发， 每当触发中断会打印 value的值。

在使用C程序通过sysfs文件系统控制gpio 篇中其实已经了解过 通过C程序控制 GPIO。

这里其实就是通过物理硬件环境模拟中断，然后程序能够检测到。
如何检测：就是通过poll机制，检测。

控制源码程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>int fd;              // 文件描述符
int ret;             // 返回值
char gpio_path[100]; // GPIO路径
int len;             // 字符串长度
char file_path[100]; // 文件路径
char buf[2];         // 缓冲区struct pollfd fds[1]; // poll结构体数组// 导出GPIO引脚
int gpio_export(char *argv)
{fd = open("/sys/class/gpio/export", O_WRONLY); // 打开export文件if (fd < 0){printf("open /sys/class/gpio/export error \n"); // 打开文件失败return -1;}len = strlen(argv);         // 获取字符串长度ret = write(fd, argv, len); // 写入引脚号到export文件if (ret < 0){printf("write /sys/class/gpio/export error \n"); // 写入失败return -2;}close(fd); // 关闭文件
}// 取消导出GPIO引脚
int gpio_unexport(char *argv)
{fd = open("/sys/class/gpio/unexport", O_WRONLY); // 打开unexport文件if (fd < 0){printf("open /sys/class/gpio/unexport error \n"); // 打开文件失败return -1;}len = strlen(argv);        // 获取字符串长度ret = write(fd, argv, len); // 写入引脚号到unexport文件if (ret < 0){printf("write /sys/class/gpio/unexport error \n"); // 写入失败return -2;}close(fd); // 关闭文件
}// 控制GPIO引脚的属性
int gpio_ctrl(char *arg, char *val)
{sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建属性文件的路径fd = open(file_path, O_WRONLY);              // 打开属性文件if (fd < 0){printf("open file_path error \n"); // 打开文件失败return -1;}len = strlen(val);         // 获取字符串长度ret = write(fd, val, len); // 写入属性值到属性文件if (ret < 0){printf("write file_path error\n"); // 写入失败return -2;}close(fd); // 关闭文件
}// 监听GPIO引脚的中断事件
int gpio_interrupt(char *arg)
{sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建文件路径fd = open(file_path, O_RDONLY);              // 打开文件if (fd < 0){printf("open file_path error \n"); // 打开文件失败return -1;}memset((void *)fds, 0, sizeof(fds)); // 清空poll结构体数组fds[0].fd = fd;                      // 设置poll结构体的文件描述符fds[0].events = POLLPRI;             // 设置poll结构体的事件类型为POLLPRI，表示有紧急数据可读read(fd, buf, 2); // 读取文件内容，清除中断事件ret = poll(fds, 1, -1); // 调用poll函数等待中断事件发生，阻塞直到事件发生if (ret <= 0){printf("poll error \n"); // 调用poll失败或超时return -1;}if(fds[0].revents & POLLPRI){lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 重新定位文件指针到文件开头read(fd, buf, 2);       // 读取文件内容，获取中断事件的值buf[1] = '\0';printf("value is %s\n", buf); // 输出中断事件的值}
}// 读取GPIO引脚的值
int gpio_read_value(char *arg)
{sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建文件路径fd = open(file_path, O_WRONLY); // 打开文件，以只写模式打开是一个错误，应该使用只读模式if (fd < 0){printf("open file_path error\n"); // 打开文件失败return -1;}ret = read(fd, buf, 1); // 读取文件内容，获取引脚的值if (!strcmp(buf, "1")){printf("The value is high\n"); // 引脚值为高电平return 1;}else if (!strcmp(buf, "0")){printf("The value is low\n"); // 引脚值为低电平return 0;}return -1; // 这里应该返回读取到的引脚值（0或1），而不是返回固定的-1close(fd); // 关闭文件（这行代码无法执行到，应该放在read之前）
}int main(int argc, char *argv[]) // 主函数
{int value;sprintf(gpio_path, "/sys/class/gpio/gpio%s", argv[1]); // 构建GPIO路径if (access(gpio_path, F_OK))                            // 检查GPIO路径是否存在{gpio_export(argv[1]); // 不存在则导出GPIO引脚}else{gpio_unexport(argv[1]); // 存在则取消导出GPIO引脚}gpio_ctrl("direction", "in"); // 设置GPIO引脚为输入模式gpio_ctrl("edge", "both");    // 设置GPIO引脚的中断触发方式为上升沿和下降沿gpio_interrupt("value");      // 监听GPIO引脚的中断事件gpio_unexport(argv[1]); // 最后取消导出GPIO引脚return 0; // 返回0表示程序正常退出
}

基础知识

memset 结构体

在 C/C++ 中，使用 memset 初始化结构体是一种常见的做法。以下是详细的使用方法和注意事项：

 struct Person p1;// 将结构体所有字节设置为0memset(&p1, 0, sizeof(struct Person));

pollfd 结构体

结构体定义

#include <poll.h>struct pollfd {int   fd;         /* 文件描述符 */short events;     /* 等待的事件 */short revents;    /* 实际发生的事件 */
};

事件标志说明

事件标志	说明	方向
POLLIN	有数据可读	输入
POLLPRI	有紧急数据可读	输入
POLLOUT	可写，不会阻塞	输出
POLLRDHUP	对端关闭连接	输入
POLLERR	发生错误	输出
POLLHUP	挂起	输出
POLLNVAL	无效请求	输出

基本使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
#include <sys/socket.h>#define TIMEOUT_MS 5000  // 5秒超时int main() {struct pollfd fds[2];// 初始化 pollfd 结构体memset(fds, 0, sizeof(fds));// 监视标准输入 (fd = 0)fds[0].fd = STDIN_FILENO;fds[0].events = POLLIN;// 假设有另一个文件描述符fds[1].fd = -1;  // 无效的文件描述符fds[1].events = POLLIN;printf("等待输入（5秒超时）...\n");int ret = poll(fds, 2, TIMEOUT_MS);if (ret == -1) {perror("poll");return 1;} else if (ret == 0) {printf("超时！\n");} else {// 检查哪些文件描述符就绪if (fds[0].revents & POLLIN) {printf("标准输入有数据可读\n");}if (fds[1].revents & POLLIN) {printf("文件描述符 %d 有数据可读\n", fds[1].fd);}// 检查错误条件if (fds[0].revents & POLLERR) {printf("标准输入发生错误\n");}if (fds[1].revents & POLLNVAL) {printf("文件描述符 %d 无效\n", fds[1].fd);}}return 0;
}

监听中断流程

有了前面的知识点，其实代码业务流程很清晰的，如下：

• 导出GPIO gpio_export
• gpio_ctrl(“direction”, “in”); // 设置GPIO引脚为输入模式
• gpio_ctrl(“edge”, “both”); // 设置GPIO引脚的中断触发方式为上升沿和下降沿
• gpio_interrupt(“value”); // 监听GPIO引脚的中断事件

在上面分析 pollfd 后，我们再仔细看看我们程序里面的监听中断到底如何试下的，如下：

gpio_interrupt 监听中断分析

int gpio_interrupt(char *arg)
{sprintf(file_path, "%s/%s", gpio_path, arg); // 构建文件路径fd = open(file_path, O_RDONLY);              // 打开文件if (fd < 0){printf("open file_path error \n"); // 打开文件失败return -1;}memset((void *)fds, 0, sizeof(fds)); // 清空poll结构体数组fds[0].fd = fd;                      // 设置poll结构体的文件描述符fds[0].events = POLLPRI;             // 设置poll结构体的事件类型为POLLPRI，表示有紧急数据可读read(fd, buf, 2); // 读取文件内容，清除中断事件ret = poll(fds, 1, -1); // 调用poll函数等待中断事件发生，阻塞直到事件发生if (ret <= 0){printf("poll error \n"); // 调用poll失败或超时return -1;}if(fds[0].revents & POLLPRI){lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 重新定位文件指针到文件开头read(fd, buf, 2);       // 读取文件内容，获取中断事件的值buf[1] = '\0';printf("value is %s\n", buf); // 输出中断事件的值}
}

• 打开节点路径 open，获取到文件描述符 fd
• 通过memset 方法，每次运行时候清空pollfd 结构体
• read 消费一次中断
• poll(fds, 1, -1); // 调用poll函数等待中断事件发生，阻塞直到事件发生
• 阻塞，等待返回结果，直到有中断产生。

为什么需要调用read()

// 如果不调用read()，会发生什么？
// poll()会立即返回，因为中断事件没有被消费
// 导致程序进入忙等待状态

配置硬件测试环境

当可执行文件执行后 ./gpioctrl 42& ，模拟实际测试环境：

由于中断并没有被触发， 所以程序会阻塞， 等待中断的进行， 然后使用杜邦线的另一端将GPIO 底座的 3.3V 接到 GPIO1_PB2 pin 脚， 进行中断的测试

总结

• 了解 mem 控制GPIO的 这种机制
• C程序如何监听GPIO中断