Работа с GPIO
В Wiren Board часть GPIO выведена на клеммники, часть выведена на разъёмы расширения, часть используется для служебных целей. GPIO также используются для управления транзисторами для коммутации низковольтной нагрузки.
- Все GPIO (как и остальные порты Wiren Board) работают с напряжением 3.3V.
- Подключение сигнала с напряжением > 3.3V к ножке GPIO грозит выходом из строя процессорного модуля.
В случае необходимости подключения устройств, работающих с более высоким напряжением, необходимо использовать схемы согласования или подключать (для 5V) через резистор в 20 кОм и более
Описание использующихся ножек gpio для конкретной ревизии контроллера можно найти в статье GPIO.
Именование gpio
К сожалению, четкого стандарта по именованию gpio не существует, но при работе с контроллерами WirenBoard стоит придерживаться следующих правил:
- выводы gpio сгруппированы по банкам (banks; эквивалентно gpiochips)
- каждый банк содержит 32 gpio. Нумерация банков начинается с 0.
Вычисление номера gpio
Для управления ножкой gpio нужно знать её номер. В рассматриваемых примерах будем работать с gpio A1_IN контроллера WB6.7 (номер: 109; gpiochip 3, offset 13):
Вычислим банк gpio и offset, зная номер (109):
# Поделим 109 на 32. Целая часть - номер банка, остаток - offset: 109.0 / 32.0 = 3, остаток 13
То же самое справедливо и наоборот. Зная банк и offset (3 и 13, соответственно), можно вычислить номер gpio:
# Умножим номер банка на 32 и прибавим offset: 3 * 32 + 13 = 109
Работа из userspace
Перед началом работы из userspace, необходимо убедиться, в том, что нужный gpio - свободен. Для этого можно посмотреть на вывод команды
cat /sys/kernel/debug/gpio
В выводе команды видим примерно следующее:
gpiochip0: GPIOs 0-31, parent: platform/209c000.gpio, 209c000.gpio: gpio-0 ( |sysfs ) in hi IRQ gpio-10 ( |? ) in lo gpio-11 ( |w1 ) in hi gpio-13 ( |w1 strong pullup ) out lo gpio-26 ( |sysfs ) out lo gpio-27 ( |sysfs ) out hi
Это значит, что gpio 0, 26 и 27 уже экспортированы в sysfs и доступны для управления. Gpio 11 и 13 заняты ядерным драйвером onewire и недоступны для использования. Остальные gpio банка 0 доступны для экспорта.
Если эти gpio нужны по каким-то причинам, то можно остановить драйвер:
lsmod | grep w1 # узнаем название драйвера rmmod w1_gpio # выгружаем драйвер, название которого узнали
Остановка драйверов может привести к неожиданному поведению контроллера. Желаемый gpio свободен до следующей перезагрузки.
Работа из Bash
В настоящий момент, для работы с gpio в userspace доступны 2 интерфейса: sysfs и chardev (начиная с версии ядра 4.8).
Различия между chardev и sysfs хорошо описаны в этой статье. Sysfs имеет статус deprecated, поэтому, по возможности, стоит работать через chardev.
Интерфейс sysfs
Для работы через sysfs c определённым GPIO его надо экспортировать:
Здесь и далее N - номер gpio
echo N > /sys/class/gpio/export
Экспортированные gpio появляются в каталоге /sys/class/gpio :
root@wirenboard:~# ls -1 /sys/class/gpio/ export gpio32 gpiochip0 gpiochip120 gpiochip32 gpiochip64 unexport
В директории /sys/class/gpioN теперь находятся файлы для работы с GPIO (где N - номер GPIO, как и было сказано ранее):
root@wirenboard:~# ls -1 /sys/class/gpio/gpioN/ active_low device direction edge power subsystem uevent value
Установка направления GPIO (ввод/вывод) производится с помощью записи в файл direction
echo in > /sys/class/gpio/gpioN/direction # установим GPIO номер N на ввод echo out > /sys/class/gpio/gpioN/direction # установим GPIO номер N на вывод
Чтение и установка значения GPIO производится с помощью файла value.
Чтение:
echo in > /sys/class/gpio/gpioN/direction # установим GPIO номер N на ввод cat /sys/class/gpio/gpioN/value # вернёт 1 или 0
Запись:
echo out > /sys/class/gpio/gpioN/direction # установим GPIO номер N на вывод echo 0 > /sys/class/gpio/gpioN/value # установим логический 0 (низкое напряжение) на GPIO номер N echo 1 > /sys/class/gpio/gpioN/value # установим логический 1 (высокое напряжение) на GPIO номер N
Пример:
- Находим номер GPIO, соответсвующий вашей версии контролера нужному клеммнику в таблице WB2.8. Для клеммника номер 2 в версии 2.8 это GPIO 32.
- Экспортируем GPIO в sysfs
root@wirenboard:~# echo 32 > /sys/class/gpio/export
- Устанавливаем GPIO в режим вывода для управления транзистором. Это обязательно, т.к. GPIO может находится в режиме ввода и иметь высокий импенданс, оставляя транзистор в неопределённом состоянии.
root@wirenboard:~# echo out > /sys/class/gpio/gpio32/direction
- Открываем транзистор, подавая логический высокий уровень на затвор:
root@wirenboard:~# echo 1 > /sys/class/gpio/gpio32/value
- Закрываем транзистор, подавая логический ноль на затвор:
root@wirenboard:~# echo 0 > /sys/class/gpio/gpio32/value
Работа с прерываниями
Через интерфейс sysfs можно запросить прерывания по изменению состояния процессора.
Установка прерывания производится путём записи значения в файл "edge". Значения могут быть:
- "none" - отключить прерывание
- "rising" - включить прерывание по нисходящему фронту
- "falling" - включить прерывание по восодящему фронту
- "both" - включить прерывание по обеим фронтам.
Пример работы с прерываниями:
root@wirenboard:~# echo 3 > /sys/class/gpio/export # экспортируем GPIO номер 3 (TB10 на WB3.3) root@wirenboard:~# cat /sys/class/gpio/gpio3/edge # проверяем состояние прерывания none root@wirenboard:~# echo falling > /sys/class/gpio/gpio3/edge # устанавливаем прерывание по нисходящему фронту root@wirenboard:~# cat /proc/interrupts | grep gpiolib # прерывание появилось в списке. 26 - внутренний номер прерывания, 0 - количество событий 26: 0 gpio-mxs 3 gpiolib root@wirenboard:~# cat /proc/interrupts | grep gpiolib # после нескольких собтий, 76 - количество событий 26: 76 gpio-mxs 3 gpiolib
Прерывания можно ловить из userspace с помощью системного вызова epoll() и select() на файл value. Пример работы см. [1]
См. также elinux.org
Работа через chardev
Представленный в ядре 4.8 интерфейс chardev имеет C/Python библиотеку libgpiod и userspace-утилиты для работы с gpio. Исходный код библиотеки и документация доступны в репозитории libgpiod.
Утилиты распространяются в составе debian-пакетов gpiod и libgpiod-dev для debian buster и новее. К сожалению, для stretch пакетов в репозитории и бекпортах нет.
Если нужно установить libgpiod в debian stretch, можно воспользоваться сторонними репозиториями (например, этим). Используйте сторонние репозитории на свой страх и риск; компания WirenBoard не контролирует их содержимое.
Работа из python
Для управления gpio из python был написан модуль wb_common.gpio, представляющий собой обёртку вокруг sysfs. Исходный код доступен на нашем github.
Модуль позволяет работать с gpio в синхронном и асинхронном (с регистрацией коллбэков) режимах.
Прямое обращение через память процессора
Этот метод настоятельно НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ для использования без достаточных оснований. Для работы из С/C++ стоит использовать работу через файлы в sysfs, как описано в предыдущем разделе.
Управлять GPIO можно с помощью прямого доступа к регистрам процессора, в обход Linux, через интерфейс /dev/mem. При этом, по сравнению с работой через sysfs минимизируются накладные расходы. Этот метод можно использовать, если вам необходим очень быстрый доступ к GPIO, например bitbang протоколов или ШИМ. Стоит иметь в виду, что планировщик процессов всё ещё может вносить в работу программы значительные задержки. Рекомендуется выносить критичные ко времени задачи в ядро.
Работа из ядра Linux
GPIO и Device Tree
На некоторых GPIO можно программно установить 47к подтяжку к +3.3В. См. Pin_pull-up.
Указывать GPIO в Device Tree необходимо для настройки работы GPIO в режиме программного SPI, I2C, для использования GPIO в качестве источника прерываний и т.д. Так, например, на пин 10@UEXT1 (CS) и пины 5@UEXT2 (SCL), 6@UEXT2 (SDA), 10@UEXT2 (CS) выведены линии GPIO процессора. Их можно сконфигурировать для использования, например, в качестве chip-select для SPI или в качестве I2C.
GPIO процессора и периферийных устройств разбиты на банки (gpiochip). GPIO процессора разбиты на 3 банка по 32 GPIO: gpio0, gpio1, gpio2. Адресация GPIO в Device Tree происходит по номеру банка и номеру GPIO *внутри* банка.
Пример 1
Определим сигнал 6@UEXT2 (SDA) в качестве источника прерываний для драйвера mrf24j40. Согласно таблице Список GPIO, сигнал соответствует GPIO 53 процессора. 53 принадлежит второму банку gpio (от 32 до 63). Номер GPIO внутри банка 53-32=21 :
6lowpan@0 { compatible = "microchip,mrf24j40"; spi-max-frequency = <100000>; reg = <6>; interrupt-parent = <&gpio1>; interrupts = <21 0>; };