控制LED燈設備

本章分別使用C庫和系統調用的文件操作方式控制開發板的LED燈，展示如何在應用層通過系統提供的設備文件控制相關硬件。

本章的示例代碼目錄為：base_code/linux_app/led/sys_class_leds。

9.1.?LED子系統

在Linux系統中，絕大多數硬件設備都有非常成熟的驅動框架，驅動工程師使用這些框架添加與板子相關的硬件支持，建立硬件與Linux內核的聯系，內核再通過統一文件系統接口呈現給用戶，用戶通過對應的設備文件控制硬件。

對于LED設備，Linux提供了LED子系統驅動框架，在Linux內核源碼中的“Documentation/leds/leds-class.txt”有相關的描述，它實現了一個leds類，用戶層通過sysfs文件系統對LED進行控制。

9.1.1.?LED設備目錄

使用了LED子系統驅動的設備，會被展現在/sys/class/leds目錄下，可在主機和開發板使用如下命令查看，命令的輸出可能會因為硬件環境不同而不一樣：

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#在主機或ARM板的終端上執行如下命令：
ls /sys/class/leds/#根據具體的目錄內容繼續查看：#在主機上有input2::capslock目錄，可在主機執行如下命令查看
ls /sys/class/leds/input2::capslock#在開發板上有cpu目錄，可在開發板上執行如下命令查看ls /sys/class/leds/cpu

如下圖

未找到圖片02|

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上圖可看到，示例中的Ubuntu主機和開發板/sys/class/leds下包含了以LED設備名 字命名的目錄，如“input2::capslock”、“input2::numlock”和“blue”、“cpu”等LED燈，這 些目錄對應的具體LED燈如下表所示。

表 /sys/class/leds下目錄對應的設備

/sys/class/leds下的目錄

對應的LED燈設備

input2::capslock

鍵盤大寫鎖定指示燈（input后的數字編號可能不同）

input2::numlock

鍵盤數字鍵盤指示燈（input后的數字編號可能不同）

input2::scrolllock

鍵盤ScrollLock指示燈（input后的數字編號可能不同）

cpu

開發板的心跳燈

red

Pro開發板RGB燈的紅色，Mini開發板的用戶燈

green

Pro開發板RGB燈的綠色，Mini開發板的用戶燈

blue

Pro開發板RGB燈的藍色，Mini開發板的用戶燈

mmc0:

SD卡指示燈（出廠鏡像默認沒有啟用）

9.1.2.?LED設備屬性

上圖中，在具體的LED目錄下又包含brightness、max_brightness、trigger等文件，這些文件包含了LED設備的屬性和控制接口。

  • max_brightness文件：表示LED燈的最大亮度值。

  • brightness文件：表示當前LED燈的亮度值，它的可取 值范圍為[0~max_brightness]，一些LED設備不支持多級亮度，直接以非0值來 表示LED為點亮狀態，0值表示滅狀態。

  • trigger文件：則指示了LED燈的觸發方式，查看該文件的內容時，該文件會 列出它的所有可用觸方式，而當前使用的觸發方式會以“[]”符號括起。常見的觸 發方式如下表所示。

表 trigger常見的觸發方式

觸發方式

說明

none

無觸發方式

disk-activity

硬盤活動

nand-disk

nand flash活動

mtd

mtd設備活動

timer

定時器

heartbeat

系統心跳

9.2.?控制LED實驗（C庫函數）

在《命令行點燈和檢測按鍵》章節中，我們演示了使用echo命令修改設備文件，實際上也可以使用gedit、Vim等編輯器進 行修改，修改時注意用戶權限即可。既然設備是以文件形式提供的，那么自然也可以使用C庫函數 或系統調用的方式讀寫文件，達到控制設備的目的。

9.2.1.?實驗代碼分析

本小節的示例代碼目錄為：led/sys_class_leds/c_stdio。

本小節先演示使用C庫函數控制LED，具體如下所示。

通過C庫函數控制LED（base_code/linux_app/led/sys_class_leds/c_stdio/sources/main.c文件）

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>//ARM 開發板LED設備的路徑
#define RLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/red/brightness"
#define GLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/green/brightness"
#define BLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/blue/brightness"//Ubuntu主機LED設備的路徑，具體請根據自己的主機LED設備修改
// #define RLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::capslock/brightness"
// #define GLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::numlock/brightness"
// #define BLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::scrolllock/brightness"int main(int argc, char *argv[])
{FILE *r_fd, *g_fd, *b_fd;printf("This is the led demo\n");//獲取紅燈的設備文件描述符r_fd = fopen(RLED_DEV_PATH, "w");if(r_fd < 0){printf("Fail to Open %s device\n", RLED_DEV_PATH);exit(1);}//獲取綠燈的設備文件描述符g_fd = fopen(GLED_DEV_PATH, "w");if(g_fd < 0){printf("Fail to Open %s device\n", GLED_DEV_PATH);exit(1);}//獲取藍燈的設備文件描述符b_fd = fopen(BLED_DEV_PATH, "w");if(b_fd < 0){printf("Fail to Open %s device\n", BLED_DEV_PATH);exit(1);}while(1){//紅燈亮fwrite("255",3,1,r_fd);fflush(r_fd);//延時1ssleep(1);//紅燈滅fwrite("0",1,1,r_fd);fflush(r_fd);//綠燈亮fwrite("255",3,1,g_fd);fflush(g_fd);//延時1ssleep(1);//綠燈滅fwrite("0",1,1,g_fd);fflush(g_fd);//藍燈亮fwrite("255",3,1,b_fd);fflush(b_fd);//延時1ssleep(1);//藍燈亮fwrite("0",1,1,b_fd);fflush(b_fd);}
}

可以發現，這個控制LED燈的過程就是一個普通的文件寫入流程：

  • 第5~13行：定義了三盞LED燈的brightness文件路徑。配套的程序默認使用 開發板RGB燈的路徑，如果要在Ubuntu主機上測試請根據自己主機上的設備文件修改10~13行的內容。

  • 第18~41行：使用fopen庫函數，以“w”的寫模式打開了三盞LED的brightness文件，并獲得文件描述符。

  • 第43~70行：在循環中分別對三盞燈寫入“255”和“0”的字符串來控制LED燈的亮 度，寫入后調用了fflush庫函數要求立刻把緩沖區的內容寫入到文件上。

本代碼有兩處值得注意的地方：

如果是普通文件，按代碼while循環的執行流程，運行一段時間后，由于多次 寫入，文件中的內容應該為“255025502550255”這樣的字符串，但對于此 處的brightness設備文件，它的最終內容只是“255”或“0”，而不是像普通 文件那樣記錄了一連串前面輸入的字符。這是因為在LED的設備驅動層中 ，brightness文件就相當于一個函數的參數接口，每次對文件執行寫入操 作時，會觸發驅動代碼以這次寫入的內容作為參數，修改LED燈的亮度；而每次讀 取操作時，則觸發驅動代碼更新當前LED燈亮度值到brightness文件，所以brightness始終 是一個0~255的亮度值，而不是“255025502550255”這樣的字符串。特別地， 如果在一次寫入操作中，直接寫入“0255025502550”這樣的 字符串，驅動層會把它當成數字255025502550，而該數字大于最大亮度值，所以它最終會以255的 亮度控制LED燈，若此時讀取brightness文件，也會發現它的值確實是255。關于這些細節， 在學習了LED子系統框架后查看驅動源碼可更好地了解。

另一處要注意的是代碼中調用fwrite函數寫入內容時，它可能只是把內容保存 到了C庫的緩沖區，并沒有執行真正的系統調用write函數把內容寫入到設備文件，這種情況下LED燈 的狀態是不會被改變的，代碼中在fwrite函數后調用了fflush要求立刻把緩沖區的內容寫入到文件，確保 執行了相應的操作。在實驗時可以嘗試把代碼中的fflush都注釋掉， 這種情況下有極大的幾率是無法正常改變LED燈狀態的。

如果不考慮操作的時間開銷，其實控制硬件更推薦的做法是，每次控制LED燈都使用fopen—fwrite—fclose的 流程，這樣就不需要考慮flseek、fflush的問題了。當然，我們最推崇的還是下一小節直接通過 系統調用來控制硬件的方式。

9.2.2.?編譯及測試

本實驗使用的Makefile由上一章節修改而來，修改了最終的可執行文件名為led_demo，以及C源 文件目錄改為了main.c文件所在的sources，其它方面沒有差異。

9.2.2.1.?x86架構

本工程的main.c實驗代碼使用的設備文件默認是開發板 上的RGB燈，在Ubuntu主機上并沒有這樣的設備，如果想嘗試在主機上使用， 可以根據自己Ubuntu主機上存的LED設備修改代碼中的LED路徑，然后使用make直接編譯測試。

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#在主機的實驗代碼Makefile目錄下編譯
#默認編譯x86平臺的程序
make
#運行需要root權限，要使用sudo運行
#運行需要root權限，要使用sudo運行
sudo ./build_x86/led_demo
#程序運行后終端會輸出提示，相應的LED燈設備狀態會改變
9.2.2.2.?ARM架構

對于ARM架構的程序，可使用如下步驟進行編譯：

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#在主機的實驗代碼Makefile目錄下編譯
#編譯arm平臺的程序
make ARCH=arm

編譯后生成的ARM平臺程序為build_arm/led_demo，使用網絡文件系統共享至開 發板，在開發板的終端上測試即可。

如下圖:

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程序執行后終端會有輸出，開發板上的三盞用戶LED燈也會輪流閃爍。

9.3.?控制LED實驗（系統調用）

由于使用C庫的文件操作函數存在緩沖機制，使用它來控制硬件時存在不 確定性，所以我們更喜歡直接以系統調用來控制硬件設備。

9.3.1.?實驗代碼分析

本小節的示例代碼目錄為：led/sys_class_leds/c_systemcall。

本小節通過系統調用的文件操作方式控制LED，具體如下所示。

通過系統調用控制LED（base_code/linux_app/led/sys_class_leds/c_systemcall/sources/main.c文件）

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>//ARM 開發板LED設備的路徑
#define RLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/red/brightness"
#define GLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/green/brightness"
#define BLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/blue/brightness"//Ubuntu主機LED設備的路徑，具體請根據自己的主機LED設備修改
// #define RLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::capslock/brightness"
// #define GLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::numlock/brightness"
// #define BLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::scrolllock/brightness"int main(int argc, char *argv[])
{int res = 0;int r_fd, g_fd, b_fd;printf("This is the led demo\n");//獲取紅燈的設備文件描述符r_fd = open(RLED_DEV_PATH, O_WRONLY);if(r_fd < 0){printf("Fail to Open %s device\n", RLED_DEV_PATH);exit(1);}//獲取綠燈的設備文件描述符g_fd = open(GLED_DEV_PATH, O_WRONLY);if(g_fd < 0){printf("Fail to Open %s device\n", GLED_DEV_PATH);exit(1);}//獲取藍燈的設備文件描述符b_fd = open(BLED_DEV_PATH, O_WRONLY);if(b_fd < 0){printf("Fail to Open %s device\n", BLED_DEV_PATH);exit(1);}while(1){//紅燈亮write(r_fd, "255", 3);//延時1ssleep(1);//紅燈滅write(r_fd, "0", 1);//綠燈亮write(g_fd, "255", 3);//延時1ssleep(1);//綠燈滅write(g_fd, "0", 1);//藍燈亮write(b_fd, "255", 3);//延時1ssleep(1);//藍燈亮write(b_fd, "0", 1);}
}

本實驗代碼與上一小節使用C庫函數操作的控制流程完全一樣，只是把C庫的文件操作 替換成了系統調用的文件操作方式，特別之處在于這種方式不需要調用fflush之類的 函數確保緩沖區的內容被寫出，而且系統調用也不存在類似這樣操作的函數。

相對C庫函數的操作方式，通過系統調用更加簡單直接，而且這種與設備文件聯系比較 緊密的應用，C庫函數兼容性好的優點也沒有用武之地，所以在編寫這類應用通常直接使用系統調用的方式。

9.3.2.?編譯及測試

本實驗使用的Makefile與上一小節的完全一樣，不再分析。

本實驗的x86和arm架構的編譯、測試步驟也與上一小節完全一樣，注意切換到對應的工程路徑即可。

對于ARM架構的程序，可使用如下步驟進行編譯：

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#在主機的實驗代碼Makefile目錄下編譯
#編譯arm平臺的程序
make ARCH=arm

編譯后生成的ARM平臺程序為build_arm/led_demo，使用網絡文件系統共享至開發 板，在開發板的終端上測試即可。

如下圖:

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程序執行后終端會有輸出，開發板上的三盞用戶LED燈也會輪流閃爍，實驗現象 與使用C庫函數操作方式是一樣的。

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