在嵌入式系統開發領域，GPIO（通用輸入 / 輸出）作為硬件與軟件交互的橋梁，是實現設備控制與數據采集的基礎。編寫高效、穩定的 GPIO 設備驅動程序，對于發揮硬件性能至關重要。本文將深入剖析 Linux 內核中 GPIO 驅動開發的全流程，從原理到代碼實現，帶你一步步掌握 GPIO 設備驅動的核心技術。
一、GPIO 驅動基礎理論
1.1 GPIO 工作原理
GPIO 引腳可以通過軟件配置為輸入或輸出模式。作為輸出時，可設置引腳的高低電平，控制外部設備，如 LED 燈的亮滅、繼電器的開合；作為輸入時，可讀取引腳的電平狀態，獲取外部設備的信號，例如按鈕的按下與釋放。在 Linux 系統中，GPIO 的操作需要通過驅動程序來實現對硬件寄存器的讀寫控制。
1.2 Linux 驅動模型與 GPIO 子系統
Linux 采用統一的設備驅動模型，將設備分為字符設備、塊設備和網絡設備等類型。GPIO 設備通常作為字符設備進行驅動開發。Linux 內核提供了 GPIO 子系統，它封裝了底層硬件操作，為驅動開發者提供了一套通用的 API，使得開發者無需直接操作硬件寄存器，降低了開發難度，提高了驅動的可移植性和通用性。
二、搭建開發環境
2.1 硬件準備
首先需要準備一塊支持 GPIO 功能的開發板，如樹莓派、STM32MP1 系列開發板等。確保開發板與主機能夠正常通信，一般通過串口或 SSH 進行連接。
2.2 軟件準備
在主機上安裝交叉編譯工具鏈，用于將驅動程序代碼編譯為目標開發板的可執行文件。例如，對于 ARM 架構的開發板，可能需要安裝arm-linux-gnueabihf-gcc等工具鏈。同時，安裝 Linux 內核源代碼，可從官方網站下載對應開發板的內核版本，解壓后作為驅動開發的基礎。
三、編寫 GPIO 驅動程序
3.1 驅動框架搭建
基于 Linux 字符設備驅動框架，編寫 GPIO 驅動的基本結構。首先定義設備號、設備類和設備節點：
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#define DEVICE_NAME "my_gpio_device"
static dev_t dev_num;
static struct cdev my_cdev;
static struct class *my_class;
然后實現驅動的初始化和退出函數：
static int __init my_gpio_driver_init(void)
{
// 申請設備號
int ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);
if (ret < 0) {
printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\n");
return ret;
}
// 初始化cdev結構
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;
// 添加cdev到系統
ret = cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
if (ret < 0) {
printk(KERN_ERR "Failed to add cdev\n");
unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
return ret;
}
// 創建設備類
my_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
if (IS_ERR(my_class)) {
printk(KERN_ERR "Failed to create class\n");
cdev_del(&my_cdev);
unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
return PTR_ERR(my_class);
}
// 創建設備節點
device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, DEVICE_NAME);
return 0;
}
static void __exit my_gpio_driver_exit(void)
{
device_destroy(my_class, dev_num);
class_destroy(my_class);
cdev_del(&my_cdev);
unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}
module_init(my_gpio_driver_init);
module_exit(my_gpio_driver_exit);
3.2 GPIO 操作實現
從設備樹獲取 GPIO 引腳編號，并實現 GPIO 的輸入輸出操作。假設設備樹中已定義好 GPIO 節點：
static int gpio_num;
static int __init get_gpio_num(void)
{
struct device_node *np = of_find_compatible_node(NULL, NULL, "my,gpio-device");
if (!np) {
printk(KERN_ERR "Failed to find device node\n");
return -ENODEV;
}
gpio_num = of_get_named_gpio(np, "gpio", 0);
if (gpio_num < 0) {
printk(KERN_ERR "Failed to get gpio number\n");
return gpio_num;
}
if (gpio_request(gpio_num, "my_gpio")) {
printk(KERN_ERR "Failed to request gpio\n");
return -EBUSY;
}
return 0;
}
實現文件操作接口函數，如open、read、write等：
static int my_gpio_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
if (get_gpio_num() < 0) {
return -EIO;
}
// 設置為輸出模式
gpio_direction_output(gpio_num, 0);
return 0;
}
static ssize_t my_gpio_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
int value;
if (count != sizeof(int)) {
return -EINVAL;
}
if (copy_from_user(&value, buf, sizeof(int))) {
return -EFAULT;
}
gpio_set_value(gpio_num, value);
return count;
}
static ssize_t my_gpio_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
int value = gpio_get_value(gpio_num);
if (copy_to_user(buf, &value, sizeof(int))) {
return -EFAULT;
}
return count;
}
static int my_gpio_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
gpio_free(gpio_num);
return 0;
}
static const struct file_operations my_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = my_gpio_open,
.write = my_gpio_write,
.read = my_gpio_read,
.release = my_gpio_release,
};
四、編譯與測試
4.1 編譯驅動程序
編寫 Makefile 文件，指定內核源代碼路徑和交叉編譯工具鏈：
obj-m += my_gpio_driver.o
all:
make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
clean:
make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean
執行make命令編譯驅動程序，生成.ko文件。
4.2 加載與測試
將編譯好的驅動模塊拷貝到開發板上，使用insmod命令加載驅動：
insmod my_gpio_driver.ko
加載成功后，會在/dev目錄下生成設備節點my_gpio_device。編寫測試程序，通過設備節點對 GPIO 進行讀寫操作：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int fd = open("/dev/my_gpio_device", O_RDWR);
if (fd < 0) {
perror("open");
return -1;
}
int value = 1;
write(fd, &value, sizeof(int)); // 點亮LED
sleep(2);
value = 0;
write(fd, &value, sizeof(int)); // 熄滅LED
close(fd);
return 0;
}
編譯并運行測試程序，觀察 GPIO 控制的設備狀態變化。
五、總結與進階
通過以上步驟，我們完成了一個簡單的 GPIO 設備驅動程序的編寫、編譯、加載與測試。但實際應用中，還需考慮更多問題，如中斷處理、電源管理、錯誤處理優化等。后續可以深入研究 Linux 內核文檔和優秀的開源驅動代碼，進一步提升驅動開發能力，為更復雜的嵌入式系統開發打下堅實基礎。
上述文章涵蓋了 GPIO 驅動開發全流程，若你覺得某些部分需要更詳細講解，或想增加調試技巧等內容，隨時告訴我。
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