作為計算機硬件與外部設備之間傳輸數據的接口，GPIO不僅能夠讀取信號，還能輸出信號，是嵌入式系統設計中不可或缺的一個部分
通過GPIO，開發者可以控制LED燈、讀取按鈕狀態、驅動電機等多種硬件設備
在Linux系統中，GPIO通過一種特殊的方式被訪問和控制，本文將詳細介紹Linux中GPIO的使用和操作
GPIO基礎 GPIO，即通用輸入輸出端口，是一種非常靈活的接口，可以被設置為輸入或輸出模式
在輸入模式下，GPIO可以讀取外部設備的信號，如按鈕的按壓狀態或傳感器的數據；在輸出模式下，GPIO則可以輸出信號，如控制LED燈的亮滅或驅動電機
GPIO端口通過編號來標識，這些編號對應于硬件上的具體引腳，編號方式依賴于使用的硬件平臺和操作系統
例如，在樹莓派上，每個GPIO端口都有一個唯一的編號，如GPIO18或GPIO24
GPIO的用途廣泛，包括但不限于： - LED控制：通過GPIO輸出高或低電平來控制LED的亮滅
- 按鈕讀取：通過設置GPIO為輸入模式來讀取按鈕的按壓狀態
- 傳感器接口：許多傳感器如溫度、濕度傳感器輸出的信號可以通過GPIO讀取
- 電機控制：通過GPIO端口發送控制信號來驅動電機
在Linux系統中，GPIO可以通過一個特殊的文件系統（通常是`/sys/class/gpio`）來訪問和控制
這一文件系統提供了一個標準接口來控制硬件GPIO引腳
Linux中的GPIO文件系統 Linux的GPIO文件系統位于`/sys/class/gpio`目錄下，通過該路徑可以訪問所有導出的GPIO端口
每個GPIO都有自己的目錄，比如`gpio58`，目錄內包含控制該GPIO的幾個文件： - export：通過寫入GPIO編號到此文件來導出GPIO，使其可通過文件系統控制
- unexport：通過寫入編號來取消導出，釋放GPIO資源
- gpioXX（XX是GPIO編號）：每個導出的GPIO會有一個對應的目錄，包含控制其行為的文件
訪問與控制GPIO 在Linux系統中，訪問和控制GPIO需要一系列步驟，包括導出GPIO端口、設置GPIO端口的方向、讀取和寫入GPIO值等
1.導出GPIO端口 在開始控制GPIO之前，需要先將其導出到用戶空間
這可以通過寫入特定的GPIO編號到`export`文件實現
例如，要導出GPIO58，可以使用以下命令： echo 58 > /sys/class/gpio/export 執行此命令后，系統會在`/sys/class/gpio`目錄下創建一個名為`gpio58`的新目錄
2.設置GPIO端口的方向 每個GPIO端口可以被配置為輸入或輸出模式
輸出模式將`out`寫入到`direction`文件，輸入模式將`in`寫入到`direction`文件
例如，要將GPIO58設置為輸出模式，可以使用以下命令： echo out > /sys/class/gpio/gpio58/direction 設置完成后，可以檢查`direction`文件來確認GPIO端口的方向是否正確設置： cat /sys/class/gpio/gpio58/direction 此命令應返回`out`，表明GPIO58已成功設置為輸出模式
3.讀取和寫入GPIO值 當GPIO設置為輸入模式時，可以通過讀取`value`文件來獲取其當前狀態
這個值通常是0（低電平）或1（高電平），表示外部信號的狀態
例如，要讀取GPIO58的當前值，可以使用以下命令： cat /sys/class/gpio/gpio58/value 這個命令將返回GPIO58的電平狀態，幫助用戶了解外部設備的當前狀態，如按鈕是否被按下
當GPIO設置為輸出模式時，可以通過寫入`value`文件來控制其輸出高電平或低電平
輸出高電平寫入1到`value`文件，使設備通電或動作；輸出低電平寫入0到`value`文件，使設備斷電或停止動作
例如，要設置GPIO58輸出高電平，可以使用以下命令： echo 1 > /sys/class/gpio/gpio58/value 這條命令將使連接到GPIO58的設備（如LED燈）亮起
實際應用示例：控制LED燈 為了實際演示如何使用GPIO控制一個簡單的硬件設備，以下是一個控制LED燈的示例： 1.連接LED：確保LED的一個引腳連接到GPIO58，另一個引腳接地
2.導出GPIO58并設置為輸出：按照前面的指導步驟操作
3.控制LED亮滅：要點亮LED，執行`echo 1 > /sys/class/gpio/gpio58/value`；要熄滅LED，執行`echo 0 > /sys/class/gpio/gpio58/value`
通過這些步驟，可以直觀地看到編寫命令與物理世界交互的結果，加深對GPIO操作的理解
高級操作與自動化 除了基本的讀取和寫入操作外，Linux中的GPIO還支持一些高級操作，如邊緣檢測和事件處理
這些功能對于構建響應式系統至關重要
- 邊緣檢測：通過設置GPIO的中斷觸發方式，可以在GPIO信號發生變化時產生中斷，從而及時響應外部事件
這可以通過修改`edge`文件來實現，可以設置為`none`（無中斷觸發）、`rising`（上升沿觸發）、`falling`（下降沿觸發）或`both`（上升沿和下降沿都觸發）
- 自動化腳本：通過編寫腳本，可以自動化控制GPIO的操作，如使LED燈按預定間隔閃爍
這可以通過shell腳本或Python腳本實現，結合`sleep`命令來控制時間間隔
GPIO控制方法 在Linux系統中，控制GPIO引腳有多種方法，包括使用sysfs接口、GPIO鍵盤驅動和libgpiod庫
- sysfs接口：這是一種簡單直觀的方法，通過讀寫特定的文件來操作GPIO引腳
但是，對于高頻率的操作可能會有性能問題
- GPIO鍵盤驅動：允許使用GPIO引腳作為輸入設備，將其視為鍵盤的按鍵或開關
這種方法適用于需要將GPIO引腳用作輸入設備的場景
- libgpiod庫：這是一個用戶空間用于控制GPIO的庫，提供了靈活的API來直接操作GPIO引腳，無需依賴sysfs接口
它提供了更靈活和高效的GPIO操作方式
