如何用sys方式控制GPIO

# 如何用sys方式控制GPIO

## 引言

在嵌入式Linux开发中，GPIO（General Purpose Input/Output）是最基础的外设接口之一。传统控制方式多通过编写内核模块或使用第三方库（如WiringPi），但Linux内核提供的`sysfs`接口提供了一种无需编写驱动即可操作GPIO的轻量级方案。本文将详细介绍如何通过`sysfs`文件系统控制GPIO。

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## 一、sysfs GPIO接口原理

### 1.1 sysfs简介
`sysfs`是Linux 2.6内核引入的虚拟文件系统，挂载在`/sys`目录下。它将内核对象（如设备、驱动等）以文件和目录的形式暴露给用户空间，允许通过文件读写操作与内核交互。

### 1.2 GPIO子系统路径
GPIO控制接口位于：

/sys/class/gpio/

关键文件说明：
- `export`：写入GPIO编号以启用控制
- `unexport`：写入GPIO编号以释放控制
- `gpioX/`：具体GPIO的控制目录（X为编号）

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## 二、硬件准备与权限配置

### 2.1 确认GPIO编号
不同硬件平台的GPIO编号规则不同：
- **树莓派**：使用BCM编号（如GPIO17对应物理引脚11）
- **其他开发板**：参考芯片手册（如i.MX6ULL的GPIO1_IO03=1*32+3=35）

### 2.2 用户权限配置
普通用户需获得访问权限：
```bash
# 将用户加入gpio组
sudo usermod -aG gpio $USER
# 或临时使用sudo
sudo chmod 666 /sys/class/gpio/*

三、基础操作步骤

3.1 导出GPIO

# 示例：启用GPIO17
echo 17 > /sys/class/gpio/export

成功后会出现/sys/class/gpio/gpio17目录。

3.2 设置方向

# 设置为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio17/direction
# 设置为输入（带内部上拉）
echo in > /sys/class/gpio/gpio17/direction
echo high > /sys/class/gpio/gpio17/direction

3.3 读写GPIO值

# 输出高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio17/value
# 读取输入状态
cat /sys/class/gpio/gpio17/value

3.4 释放GPIO

echo 17 > /sys/class/gpio/unexport

四、高级功能实现

4.1 中断与边缘检测

通过edge文件配置中断触发方式：

# 配置为上升沿触发
echo rising > /sys/class/gpio/gpio17/edge

然后通过poll()或select()监听value文件变化。

4.2 批量操作脚本示例

#!/bin/bash
GPIO=17
# 初始化
echo $GPIO > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio$GPIO/direction
# 闪烁LED
for i in {1..5}; do
    echo 1 > /sys/class/gpio/gpio$GPIO/value
    sleep 0.5
    echo 0 > /sys/class/gpio/gpio$GPIO/value
    sleep 0.5
done
# 清理
echo $GPIO > /sys/class/gpio/unexport

五、常见问题与调试

5.1 常见错误

• GPIO已占用：Device or resource busy
  • 解决方案：检查/sys/kernel/debug/gpio或释放冲突资源
• 无权限：Permission denied
  • 确认用户组和文件权限（推荐使用udev规则自动配置）

5.2 调试工具

# 查看所有GPIO状态
cat /sys/kernel/debug/gpio
# 实时监控值变化
watch -n 0.1 cat /sys/class/gpio/gpio17/value

六、性能优化建议

6.1 减少文件操作开销

• 避免频繁echo：保持value文件打开并通过write()操作
• 使用C语言直接操作（示例片段）：

int fd = open("/sys/class/gpio/gpio17/value", O_WRONLY);
write(fd, "1", 1);
close(fd);

6.2 替代方案对比

七、应用实例：按键控制LED

7.1 硬件连接

• KEY → GPIO27（内部上拉）
• LED → GPIO17

7.2 实现代码

import os
import time

# 初始化
os.system("echo 17 > /sys/class/gpio/export")
os.system("echo 27 > /sys/class/gpio/export")
os.system("echo out > /sys/class/gpio/gpio17/direction")
os.system("echo in > /sys/class/gpio/gpio27/direction")

# 事件循环
while True:
    with open('/sys/class/gpio/gpio27/value') as f:
        if f.read().strip() == '0':
            with open('/sys/class/gpio/gpio17/value', 'w') as led:
                led.write('1')
            time.sleep(0.2)  # 防抖

结语

通过sysfs操作GPIO虽然效率不如内核驱动，但其简单易用的特性使其成为快速原型开发的首选方案。对于学习Linux设备模型和嵌入式入门而言，这是不可或缺的基础技能。随着熟练度提升，开发者可逐步过渡到更高效的字符设备（如/dev/gpiochipX）控制方式。

注意：不同内核版本可能略有差异，建议参考官方文档《Linux GPIO User Space Documentation》。 “`

（全文约1450字，实际字数可能因Markdown渲染略有差异）