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苏木2026-01-21
3641
15.1m

LV530-gpio调试 ​

在 linux 下，如何对 gpio 进行控制？怎么调试？若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正 😃。

一、准备工作 ​

这里既然是做 GPIO 的调试，那肯定要先知道几个 GPIO，我这里用的是整点原子 alpha 开发板，我们准备三种 GPIO 用于测试。我们选择连接了外设的 GPIO，例如连接了 I2C 设备的 I2C1，LED 灯以及按键这些，用来测试的话现象比较直观。

1. LED 灯 ​

LED 灯的硬件原理图如下：

image-20250331194840703

搜一下原理图，就可以知道这个 LED 灯所连的 GPIO 为 GPIO1_IO03，相关的寄存器如下：

txt
0X020E0068 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 
0X020E02F4 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 

0x0209C000 GPIO data register (GPIO1_DR)    
0x0209C004 GPIO direction register (GPIO1_GDIR) 
0X0209C008 GPIO pad status register (GPIO1_PSR)
0X0209C00C GPIO interrupt configuration register1 (GPIO1_ICR1)
0X0209C010 GPIO interrupt configuration register2 (GPIO1_ICR2)
0X0209C014 GPIO interrupt mask register (GPIO1_IMR)
0X0209C018 GPIO interrupt status register (GPIO1_ISR)
0X0209C01C GPIO edge select register (GPIO1_EDGE_SEL)

2. KEY 按键 ​

接下来是按键：

image-20250331195332131

这个按键 key0 是使用的 GPIO 为 UART1_CTS，我们可以用它来作为输入或者中断，它可以复用为 GPIO1_IO18，相关的寄存器如下：

txt
0x020E008C IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_CTS_B
0x020E0318 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_CTS_B

0x0209C000 GPIO data register (GPIO1_DR)    
0x0209C004 GPIO direction register (GPIO1_GDIR) 
0X0209C008 GPIO pad status register (GPIO1_PSR)
0X0209C00C GPIO interrupt configuration register1 (GPIO1_ICR1)
0X0209C010 GPIO interrupt configuration register2 (GPIO1_ICR2)
0X0209C014 GPIO interrupt mask register (GPIO1_IMR)
0X0209C018 GPIO interrupt status register (GPIO1_ISR)
0X0209C01C GPIO edge select register (GPIO1_EDGE_SEL)

3. I2C1——ap3216c ​

我们还有一个 I2C1，上面接了 ap3216c：

image-20250331195813023

I2C1 其实是可以用由不同的 GPIO 复用而来的：

image-20260121103952303

但是在正点原子 alpha 开发板上，其中 I2C1_SCL 使用的 UART4_TXD 这个 IO、 I2C1_SDA 使用的是 UART4_RXD 这个 IO。 所以我们也就要看 UART4_TX_DATA 和 UART4_RX_DATA 这两个引脚。前面学习 pinctrl 子系统的时候有分析过这个 UART4_TX_DATA 相关寄存器的取值情况：

txt
0x020E00b4 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART4_TX_DATA (0x2)
0x020E0340 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART4_TX_DATA (0x4001b8b0)
0x020E05A4 IOMUXC_I2C1_SCL_SELECT_INPUT        (0x1)

4. 参考文档 ​

linux 内核源码中有一些参考文档可以看：sysfs.txt - Documentation/gpio/sysfs.txt

二、GPIO 调试 ​

先来看怎么调试把，后面控制的时候也会有一些问题，可能需要查看引脚情况。

1. debugfs 文件系统 ​

1.1 debugfs 简介 ​

debugfs 是 Linux 内核提供的一个调试文件系统， 可以用于查看和调试内核中的各种信息，包括 GPIO 的使用情况。 通过挂载 debugfs 文件系统， 并查看/sys/kernel/debug/目录下的相关文件， 可以获取 GPIO 的状态， 配置和其他调试信息。如下图：

image-20250330201742032

1.2 debug 目录下没有文件？ ​

我们打开这个目录，发现什么都没有：

image-20250330200240035

这个时候怎么办？

1.2.1 内核配置 ​

我们先看一下 linux 系统是否支持 debugfs 文件系统：

shell
cat /proc/filesystems
image-20250330200343468

发现是支持的，若是不支持的话，我们需要在内核打开对应的配置项，我们执行：

shell
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_v6_v7_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

按照以下路径，找到对应的菜单项：

shell
    Kernel hacking  --->
    	    Compile-time checks and compiler options  --->
    	    	-*- Debug Filesystem
image-20250330200751064

勾选后，我们把它编译进内核，然后重新编译内核并更新。

1.2.2 挂载 debugfs ​

我们已经支持了 debugfs 文件系统，但是 debug 目录还是空的，我们可以执行 mount 命令看一下是不是没挂载：

shell
mount
image-20250330200929794

发现确实没有挂载，然后我们可以手动挂载：

shell
mount -t debugfs none /sys/kernel/debug/
image-20250330201107727

然后就有对应的目录了，要是想开机自动挂载的话，可以修改 /etc/fstab 文件自动挂载到该目录：

shell
debugfs /sys/kernel/debug debugfs defaults 0 0
image-20250330201532652

1.3 /sys/kernel/debug/gpio ​

1.3.1 这个文件是什么？ ​

在 Linux 系统中，/sys/kernel/debug/gpio 文件提供了关于系统 GPIO（通用输入输出）状态的调试信息。通过解析该文件，可以查看 GPIO 引脚的使用情况、配置和当前状态。

1.3.2 gpio 文件结构 ​

文件内容通常分为两部分：GPIO 控制器信息 和 具体 GPIO 引脚状态，例如 imx6ull：

image-20250330202215788

GPIO 控制器信息：

  • gpiochipx：看图中，x 的值为 0、1、2、3、4，这就是 imx6ull 的 5 组 GPIO。
  • GPIOs x-y：该控制器管理的 GPIO 编号范围（全局编号）。
  • parent：控制器所属的硬件设备（如芯片或外设地址）。
  • platform/209c000.gpio ：是 GPIO 控制器的名称或地址。

GPIO 引脚状态：

  • gpio-3、gpio-9 和 gpio-19 表示这几个 gpio 已经被内核空间或者用户空间占用。

（1）in 表示引脚是输入模式，out 表示输出模式。

（2）hi 表示引脚当前为高电平，lo 表示低电平。

（3）有时候还会有 IRQ ，表示该引脚被配置为中断引脚。

1.3.2 总结一下 ​

/sys/kernel/debug/gpio 是一个虚拟文件系统（debugfs）中的文件，用于显示当前系统中 GPIO（通用输入输出）引脚的状态和配置信息。它通常包含以下信息：

  • GPIO 控制器信息‌：系统中每个 GPIO 控制器的名称和状态、控制器的基地址或标识符。
  • ‌GPIO 使用情况‌：哪些 GPIO 引脚已被占用（被内核或用户空间程序使用）、使用该引脚的驱动或模块的名称。
  • GPIO 引脚状态‌：每个 GPIO 引脚的编号（如 gpiochipX 中的引脚）、引脚的方向（输入或输出）、引脚的当前值（高电平或低电平）、引脚是否被配置为中断引脚。
  • GPIO 中断信息‌：如果 GPIO 引脚被配置为中断引脚，可能会显示中断触发类型（如上升沿、下降沿等）。

1.4 /sys/kernel/debug/pinctrl ​

当进入/sys/kernel/debug/pinctrl 目录时， 我们可以获取有关 GPIO 控制器的调试信息。在该目录下， 通常会有以下文件和目录：

  • （1）/sys/kernel/debug/pinctrl/*/pinmux-pins： 这些文件列出了每个 GPIO 引脚的引脚复用配置。

可以查看每个引脚的功能模式、 引脚复用选择以及其他相关的配置信息。 我们进入下面的目录：

shell
cd /sys/kernel/debug/pinctrl/20e0000.iomuxc/
image-20250330203444260
  • （2）/sys/kernel/debug/pinctrl/*/pins：这些文件列出了 GPIO 的引脚编号， 可以查看 GPIO 编号。

我们进入下面的目录看一下：

shell
ls /sys/kernel/debug/pinctrl/20e0000.iomuxc
cat /sys/kernel/debug/pinctrl/20e0000.iomuxc/pins
image-20250330203718614
  • （3）/sys/kernel/debug/pinctrl/*/gpio-ranges：这些文件列出了每个 GPIO 控制器支持的 GPIO 范围。
shell
cd /sys/kernel/debug/pinctrl/20e0000.iomuxc
cat cd /sys/kernel/debug/pinctrl/20e0000.iomuxc/gpio-ranges
image-20250330203948308
  • （4）/sys/kernel/debug/pinctrl/*/pinmux-functions：这些文件列出了每个功能模式的名称以及与之关联的 GPIO 引脚。
shell
ls /sys/kernel/debug/pinctrl/20e0000.iomuxc/
cat /sys/kernel/debug/pinctrl/20e0000.iomuxc/pinmux-functions
image-20250330204232094
  • （5）/sys/kernel/debug/pinctrl/*/pingroups：该路径提供有关用于配置和控制系统上的 GPIO 引脚的引脚组的信息。
  • （6）/sys/kernel/debug/pinctrl/*/pinconf-pins：这些文件包含了 GPIO 引脚的配置信息， 如输入/输出模式、 上拉/下拉设置等。可以查看和修改 GPIO 的电气属性， 以便进行 GPIO 的调试和配置。

2. /dev/mem 设备 ​

2.1 /dev/mem 简介 ​

/dev/mem 是 Linux 系统中的一个虚拟设备， 通常与 mmap 结合使用， 可以将设备的物理内存映射到用户态， 以实现用户空间对内核态的直接访问。 无论是标准 Linux 系统还是嵌入式 Linux 系统， 都支持使用/dev/mem 设备。

/dev/mem 设备是内核所有物理地址空间的全映像，这些地址包括：

  • 物理内存（RAM）空间
  • 物理存储（ROM）空间
  • cpu 总线地址
  • cpu 寄存器地址
  • 外设寄存器地址，GPIO、定时器、ADC

因为涉及访问内核空间，因此 只有 root 用户才有访问“/dev/mem”设备的权限。

2.2 支持/dev/mem ​

然而， 直接访问内核空间是一项潜在危险的操作， 因此只有 root 用户才能访问/dev/mem 设备。 此外有些系统可能需要单独启动/dev/mem 设备的功能。 我们执行：

shell
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_v6_v7_defconfig
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

按照以下路径，找到对应的菜单项：

shell
        Device Drivers  --->
    	    Character devices  --->
    	    	[*] /dev/mem virtual device support
image-20250330205939376

打开之后，编译更新内核，当出现 /dev/mem 设备的时候说明开启成功：

shell
ls /dev/mem
image-20250330205852190

2.3 /dev/mem 设备的使用 ​

2.3.1 使用步骤 ​

使用/dev/mem 设备需要具有 root 权限， 并且谨慎操作， 因为直接访问内核空间是一项潜在的危险操作。 以下是使用/dev/mem 设备的基本步骤：

  • （1）使用 open 函数打开 "/dev/mem" 文件描述符， 并指定访问权限和阻塞方式。 访问权限可以是只读（O_RDONLY） 、 只写（O_WRONLY） 或读写（O_RDWR） 阻塞方式或非阻塞（O_NDELAY）。
c
int fd = 0;
fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_NDELAY); /* 读写权限， 非阻塞 */

请注意， 这里使用 O_RDWR 表示读写权限， 并使用 O_NDELAY 表示非阻塞方式。 可以根据实际需求选择适当的访问权限和阻塞方式。

  • （2）使用 mmap 函数将需要访问的物理地址与 "/dev/mem" 文件描述符建立映射。mmap 函数将返回一个指向映射内存区域的指针。
c
char *mmap_addr = NULL;
mmap_addr = (char *)mmap(NULL, MMAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, MMAP_ADDR);

在这里， 使用 mmap 函数将物理内存地址映射到 mmap_addr 指针所指向的内存区域。MMAP_SIZE 表示映射的大小， PROT_READ | PROT_WRITE 表示访问权限为读写， MAP_SHARED 表示共享映射， fd 是之前打开的 /dev/mem 文件描述符， MMAP_ADDR 是要映射的物理地址。

  • （3）对映射的地址进行访问， 即对寄存器进行读写操作。
c
int a = 0;
*(int *)mmap_addr = 0xff; // 写地址
a = *(int *)mmap_addr;    // 读地址

在这里， 使用指针操作对 mmap_addr 指向的地址进行读写操作。 *(int *)mmap_addr 表示将 mmap_addr 解释为 int 类型的指针， 对于写操作， 将 0xff 写入该地址； 对于读操作， 将地址的值读取到变量 a 中。

2.3.2 mmap() ​

mmap 函数原型如下：

c
void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

函数参数：

  • start: 指定文件应被映射到进程空间的起始地址， 一般被指定为一个空指针， 选择起始地址的任务留给内核来完成。 映射成功之后， 函数返回值为最后文件映射到进程空间的地址， 进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。
  • length: 是映射到调用进程地址空间的字节数。
  • prot: 参数指定共享内存的访问权限。 可取如下几个值的或。 PROT_READ(映射区域可读)、PROT_EXEC(映射区域可执行)、PROT_WRITE(映射区域可写)、 PROT_NONE(映射区域不可访问)。
  • flags: 由以下几个常值指定， MAP_SHARED， MAP_PRIVATE， MAP_FIXED， 其中 MAP_SHARED，MAP_PRIVATE 必选其一， MAP_FIXED 不推荐使用。
  • fd: 有效的文件描述符。 一般是由 open()函数返回。
  • offset: 文件映射的偏移量， offset 的大小必须是页的整数倍， 如果设备为 0 代表从文件最前方开始映射。

函数返回值： 成功执行时， mmap()返回被映射区的指针， 失败时， mmap()返回-1.

2.4 自己写一个 memdev ​

2.4.1 源码编写 ​

我们会在有些地方看到 memdev 工具，它可以直接读写内存，方便我们调试，这个其实就是通过访问/dev/mem 实现的，网上也会有源码，例如 sources.buildroot.net/devmem2.c。这个其实就是个应用程序，我们可以自己实现的。

2.4.2 开发板测试 ​

我们用这个带有 ap3216c 的 demo，加载相关驱动后，可以读一下 i2c 相关的寄存器：

shell
./app_demo.out 0x020e0340
./app_demo.out 0x020e00b4
image-20250330212959779

2.5 根文件系统支持 memdev ​

2.5.1 busybox 配置 ​

其实 busybox 中是支持 memdev 命令的，只是，在 1.36.1 版本的 busybox 中叫 devmem，我之前用的是 buildroot 构建的根文件系统，它其实用到了 busybox，我们可以在 buildroot 源码顶层目录下执行以下命令配置 busybox：

shell
sudo make busybox-menuconfig

然后就会打开 busybox 的配置界面：

image-20250330224153850

我们按以下路径找到对应的配置项：

shell
    Miscellaneous Utilities  --->
    	[*] devmem (2.5 kb)
image-20250330224509577

退出的时候保存，注意这个配置修改后，会修改 busybox 源码目录中的.config 文件，要是需要保存的话，这里需要注意一下。然后重新编译 buildroot：

shell
sudo make

编译完成后看一下 output/images 目录下 rootfs.tar 的创建时间是否为刚刚编译的，如果不是的话就删除掉 rootfs.tar，然后重新执行“sudo make”重新编译一下即可。我们可以把这个目录解压看一下：

shell
tar xvf rootfs.tar
find ./ -name "devmem"
image-20250330224917005

会发现有这个命令，我们进入开发板，使用以下命令：

shell
which devmem
image-20250330225009867

可以看到确实有这个命令。

2.5.2 开发板测试 ​

我们还是读这两个寄存器：

shell
devmem 0x020e0340 32
devmem 0x020e00b4 32
image-20250330225107272

会发现和前面读到的结果一致，其实都一样，都是通过 mmap 来映射内存，只是根文件系统这个直接做成命令了。