В этой статье (перевод [1]) рассматривается базовое управление GPIO с помощью интерфейса sysfs, предоставляемого ядром Linux. Фактически нам не понадобится ничего программировать, поскольку все описанные действия будут выполняться в строке команд (shell) операционной системы. Будут показаны некоторые примеры, как это работает на Raspberry Pi.

Существуют разные способы доступа к аппаратному обеспечению GPIO из программ [3, 4, 5]. Однако sysfs вероятно самый простой способ, который поддерживается ядром Linux и делает устройства видимыми в файловой системе, чтобы мы могли экспериментировать из командной строки без необходимости писать какой-либо код. Для простых приложений вы можете использовать его таким образом, либо интерактивно, либо поместив команды в скрипт.

Sysfs это псевдофайловая система ядра Linux, которая предоставляет информацию по различным подсистемам ядра, аппаратным устройствам, драйверам устройств, которые доступны в пространстве доступа пользователя (user space) через обращение к виртуальным файлам. Устройства GPIO появляются в системе как часть sysfs.

Следует отметить, что в настоящий момент этот интерфейс считается устаревшим в пользу замены его на новое GPIO character device API [3]. Это новое API решает определенные проблемы интерфейса sysfs. Однако оно не может быть также просто использовано из файловой системы, как sysfs, так что интерфейс sysfs некоторое время все еще будет поддерживаться.

Замечание: если вы будете пробовать команды sysfs на Raspberry Pi, то следует выполнить некоторую предварительную настройку. Например, необходимо добавить пользователя в группу gpio, чтобы у него была возможность выполнять команды доступа к GPIO без необходимости пользоваться привилегиями root (см. следующую врезку).

$ sudo adduser pi gpio
Adding user `pi' to group `gpio' ...
Adding user pi to group gpio Done.

$ groups
pi adm dialout cdrom sudo audio video plugdev games users input netdev gpio i2c spi

$ sudo raspi-config

Если на вашей системе загружен подходящий драйвер sysfs, то вы увидите аппаратуру GPIO в папке /sys/class/gpio файловой системы.

$ ls /sys/class/gpio/
export*  gpiochip0@  gpiochip100@  gpiochip504@  unexport*

Обратите внимание, что имена устройств, начинающиеся с gpiochip, обозначают контроллеры GPIO, и их нельзя использовать напрямую.

Базовые шаги для использования вывода GPIO из интерфейса sysfs заключаются в следующем:

1. Экспорт вывода (export pin).
2. Установка направления для pin - вход (input) или выход (output).
3. Если это выход, то можно установить его уровень в лог. 0 или лог. 1.
4. Если это вход, то можно прочитать его логический уровень.
5. Когда работа с выводом завершена, завершение экспорта (unexport pin).

Для экспорта вывода мы записываем имя/номер вывода в псевдофайл /sys/class/gpio/export. Это будет означать, что мы хотим использовать определенный вывод GPIO, и делаем его видимым в иерархии файловой системы sysfs. После того, как работа с выводом завершена, мы можем отменить экспорт вывода. Необходимо явно делать export/unexport вывода, чтобы предотвратить ошибки случайного нежелательного доступа к неправильному выводу.

Шаг 1. В качестве примера мы можем сделать export вывода GPIO24 (соответствующий выводу коннектора 18 платы Raspberry Pi) следующей командой:

$ echo 24 >/sys/class/gpio/export

Команда ls покажет изменения в каталоге /sys/class/gpio:

$ ls /sys/class/gpio
export*  gpio24@  gpiochip0@  gpiochip100@  gpiochip504@  unexport*

Здесь gpio24 это символическая ссылка на директорию, где находится несколько файлов:

$ ls /sys/class/gpio/gpio24/
active_low*  device@  direction*  edge*  power/  subsystem@  uevent*  value*

Шаг 2. На этом шаге мы будем настраивать вывод порта на вход или выход. Это осуществляется записью в файлы in или out. Например, для установки gpio24 в качестве входа выполните команду:

$ echo in >/sys/class/gpio/gpio24/direction

Для установки на выход команда следующая:

$ echo out >/sys/class/gpio/gpio24/direction

Этот файл можно прочитать, чтобы определить текущее состояние вывода порта:

$ cat /sys/class/gpio/gpio24/direction
out

Хотя это может быть неверно для всей аппаратуры, вывод GPIO будет по умолчанию настроен на вход, поскольку это наиболее безопасно на аппаратном уровне.

Шаг 3. Если вывод настроен на вывод, то мы можем установить его логический уровень. Для этого в файл value записывается 0 или 1. В следующем примере выход устанавливается в лог. 0:

$ echo 0 >/sys/class/gpio/gpio24/value

Для установки в лог 1:

$ echo 1 >/sys/class/gpio/gpio24/value

Если вывод сконфигурирован на вход, то попытка выполнения этих команд приведет к ошибке:

bash: echo: write error: Operation not permitted

Шаг 4. Если вывод сконфигурирован на вход, то мы можем прочитать его уровень чтением файла value:

$ cat /sys/class/gpio/gpio24/value
0

Можно ли прочитать правильное значение уровня вывода, когда он настроен на выход? Ответ - да, можно. Значение, которое будет прочитано, зависит от реальной аппаратуры. На Raspberry Pi вы должны увидеть то же самое значение, которое было выведено, но на некоторой аппаратуре прочитанный уровень может отражать реальный уровень сигнала, который может отличаться, если внешние схемы подтягивают уровень к лог. 1 или к лог. 0.

Шаг 5. Если использование вывода GPIO завершено, необходимо отменить его экспорт. Для этого нужно записать номер GPIO в файл unexport, например:

$ echo 24 >/sys/class/gpio/unexport

После этого символическая ссылка для gpio24 исчезнет в sysfs:

$ ls /sys/class/gpio
export*  gpiochip0@  gpiochip100@  gpiochip504@  unexport*

[Пример подключения к GPIO]

Если вы хотите попробовать выполнить описанные выше действия на Raspberry Pi, то подключите цифровой мультиметр к контактам 18 (GPIO24) и 6 (GROUND) разъема GPIO. Переключите мультиметр в режим измерения постоянного напряжения (DC V).

Если запустить следующие команды, то вы должны увидеть напряжение около 3.3V (уровень лог. 1):

$ echo 24 >/sys/class/gpio/export
$ echo out >/sys/class/gpio/gpio24/direction
$ echo 1 >/sys/class/gpio/gpio24/value

Следующая команда установит значение уровня лог. 0, и мультиметр покажет напряжение, близкое к 0:

$ echo 0 >/sys/class/gpio/gpio24/value

Вы можете также попробовать прочитать состояние вывода, настроенного на вход. Если вы соедините перемычкой контакт 18 (GPIO24) и контакт 6 (GND), то прочитанный уровень должен быть 0. Внимание! Не устанавливайте перемычку, пока не выполните команду настройки порта GPIO24 на ввод, потому что ранее этот порт был настроен на вывод.

$ echo in >/sys/class/gpio/gpio24/direction
$ cat /sys/class/gpio/gpio24/value
0

Теперь, если соединить перемычкой контакт 18 и контакт 1 (3.3V), то уровень будет прочитан как лог. 1:

$ cat /sys/class/gpio/gpio24/value
1

Будьте осторожны с подключением выводов, неправильное подключение может повредить Raspberry Pi.

Вместо испытаний на основе мультиметра и перемычек можно собрать простенькую платку gpio-board [6]. На ней отслеживать управление выходов можно с помощью трех светодиодов, а для тестирования чтения входа можно использовать кнопку.

Есть больше функций, которые можно выполнить с помощью контактов GPIO, которые нелегко сделать из интерфейса sysfs. Большинство контактов Raspberry Pi GPIO поддерживают включение внутренних подтягивающих резисторов pullup и pulldown, и вы можете получить прерывание при изменении уровня входного контакта.

[Утилита gpio]

На платформе Raspberry Pi есть удобная утилита gpio [7], которая может управлять выводами удобнее, чем это делается через интерфейс sysfs. Эта утилита может управлять экспортированием портов (export/unexport), устанавливать их направление (direction), устанавливать и считывать уровни, а также запускать более продвинутые функции наподобие PWM. Для установки утилиты gpio выполните команду sudo apt install wiringpi.

Следующая команда выведет подсказку по командной строке:

$ gpio -h
gpio: Usage: gpio -v
       gpio -h
       gpio [-g|-1] ...
       gpio [-d] ...
       [-x extension:params] [[ -x ...]] ...
       gpio [-p] < read/write/wb> ...
       gpio < mode/read/write/aread/awritewb/pwm/pwmTone/clock> ...
       gpio < toggle/blink> < pin>
       gpio readall
       gpio unexportall/exports
       gpio export/edge/unexport ...
       gpio wfi < pin> < mode>
       gpio drive < group> < value>
       gpio pwm-bal/pwm-ms 
       gpio pwmr < range> 
       gpio pwmc < divider> 
       gpio load spi/i2c
       gpio unload spi/i2c
       gpio i2cd/i2cdetect
       gpio rbx/rbd
       gpio wb < value>
       gpio usbp high/low
       gpio gbr < channel>
       gpio gbw < channel> < value>

Запуск man gpio покажет документацию по команде. Одна из полезных опций - возможность прочитать и показать состояние всех выводов GPIO, с представлением номеров контактов и имен портов:

$ gpio readall
 +-----+-----+---------+------+---+---Pi 3B--+---+------+---------+-----+-----+
 | BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
 +-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
 |     |     |    3.3v |      |   |  1 || 2  |   |      | 5v      |     |     |
 |   2 |   8 |   SDA.1 |   IN | 1 |  3 || 4  |   |      | 5v      |     |     |
 |   3 |   9 |   SCL.1 |   IN | 1 |  5 || 6  |   |      | 0v      |     |     |
 |   4 |   7 | GPIO. 7 |   IN | 1 |  7 || 8  | 1 | ALT5 | TxD     | 15  | 14  |
 |     |     |      0v |      |   |  9 || 10 | 1 | ALT5 | RxD     | 16  | 15  |
 |  17 |   0 | GPIO. 0 |   IN | 0 | 11 || 12 | 0 | IN   | GPIO. 1 | 1   | 18  |
 |  27 |   2 | GPIO. 2 |   IN | 0 | 13 || 14 |   |      | 0v      |     |     |
 |  22 |   3 | GPIO. 3 |   IN | 0 | 15 || 16 | 0 | IN   | GPIO. 4 | 4   | 23  |
 |     |     |    3.3v |      |   | 17 || 18 | 0 | IN   | GPIO. 5 | 5   | 24  |
 |  10 |  12 |    MOSI |   IN | 0 | 19 || 20 |   |      | 0v      |     |     |
 |   9 |  13 |    MISO |   IN | 0 | 21 || 22 | 0 | IN   | GPIO. 6 | 6   | 25  |
 |  11 |  14 |    SCLK |   IN | 0 | 23 || 24 | 1 | IN   | CE0     | 10  | 8   |
 |     |     |      0v |      |   | 25 || 26 | 1 | IN   | CE1     | 11  | 7   |
 |   0 |  30 |   SDA.0 |   IN | 1 | 27 || 28 | 1 | IN   | SCL.0   | 31  | 1   |
 |   5 |  21 | GPIO.21 |   IN | 1 | 29 || 30 |   |      | 0v      |     |     |
 |   6 |  22 | GPIO.22 |   IN | 1 | 31 || 32 | 0 | IN   | GPIO.26 | 26  | 12  |
 |  13 |  23 | GPIO.23 |   IN | 0 | 33 || 34 |   |      | 0v      |     |     |
 |  19 |  24 | GPIO.24 |   IN | 0 | 35 || 36 | 0 | IN   | GPIO.27 | 27  | 16  |
 |  26 |  25 | GPIO.25 |   IN | 1 | 37 || 38 | 0 | IN   | GPIO.28 | 28  | 20  |
 |     |     |      0v |      |   | 39 || 40 | 0 | IN   | GPIO.29 | 29  | 21  |
 +-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
 | BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
 +-----+-----+---------+------+---+---Pi 3B--+---+------+---------+-----+-----+

Из нашего предыдущего примера мы могли бы установить gpio24 в уровни лог. 1 и лог. 0 следующими командами:

$ gpio export 24 out
$ gpio -g write 24 1
$ gpio -g write 24 0

Или даже можно переключать в противоположное состояние уровень вывода, или выдавать на выводе короткий импульс:

$ gpio -g toggle 24
$ gpio -g blink 24

После завершения работы можно отменить экспорт вывода следующей командой:

$ gpio unexport 24

Обратите внимание на опцию -g, это говорит команде использовать номера контактов коннектора (BCM), а не номера по умолчанию, используемые библиотекой WiringPi [8]. Причуда команды заключается в том, что когда в ней применяется export и unexport, то всегда используются номера выводов BCM, так что в этом случае опция -g не нужна.

GPIO(1) Доступ к выводам Raspberry Pi GPIO из командной строки

NAME
   gpio - Command-line access to Raspberry Pi's GPIO

SYNOPSIS
   gpio -v
   gpio [ -g | -1 ] mode/read/write/aread/awrite/wb/pwm/pwnTone/clock/toggle/blink ...
   gpio [ -x extension:params ] mode/read/write/aread/awrite/pwm/toggle/blink ...
   gpio [ -p ] read/write/toggle/blink ...
   gpio [ -p ] pwnTone pin frequency ...
   gpio readall
   gpio unexportall/exports
   gpio export/edge/unexport ...
   gpio wfi ...
   gpio drive group value
   gpio usbp high | low
   gpio pwm-bal/pwm-ms
   gpio pwmr range
   gpio load  i2c/spi ...
   gpio gbr channel
   gpio gbw channel value

DESCRIPTION
   Утилита GPIO это утилита командной строки, некий "швейцарский ножик" для упрощения
   доступа пользователя к выводам GPIO на Raspberry Pi, а также SPI и преобразователям
   ADC и DAC Gertboard. Утилита была разработана для упрощения тестирования систем
   и диагностики, однако может использоваться в теле скриптов, если необходимо
   некое медленное управление выводами GPIO.
   Также утилита может управлять выводами платы PiFace IO board и загрузки при
   необходимости модулей ядра SPI и I2C.
   Дополнительно утилита может использоваться для экспорта в системную директорию
   /sys/class/gpio, чтобы позволить позже запускаемым программам использовать
   интерфейс /sys/class/gpio без необходимости исполнения с привилегиями root.

OPTIONS
   -v    Выведет текущую версию, включая ревизию платы Raspberry Pi.
   -g    Использовать выводы BCM_GPIO вместо номеров выводов библиотеки wiringPi.
         Внимание: номера выводов BCM_GPIO всегда используются в командах export
         и edge.
   -1    Использовать физические номера выводов вместо номеров выводов библиотеки
         wiringPi. Внимание: это применимо только к коннектору P1. Таким способом
         нельзя использовать выводы коннектора Revision 2 P5, и с опцией -g
         номера выводов BCM_GPIO всегда используются с командами export и edge.
   -x extension
         Приведет к инициализации именованного расширения extension. Расширения
         включают в себя имя (например, mcp23017), за которым следует двоеточие,
         затем pin-base, а затем дополнительные параметры в зависимости от типа
         расширения.
   -p    Использовать плату интерфейса PiFace и её соответствующие имена выводов.
         PiFace всегда появляется на номере вывода 200 в команде gpio. Вы можете
         назначить любые номера выводов, которые захотите, в ваших собственных
         программах.
   read < pin>
         Чтение цифрового значения на указанном выводе pin и печать 0 или 1
         для представления соответствующего уровня логики.
   write < pin> < value>
         Запишет указанное значение value (0 или 1) в вывод pin. Предварительно
         вам необходимо настроить ввод в режим вывода (output mode).
   toggle < pin>
         Меняет состояние вывода GPIO; если на выходе 0, то будет 1, и наоборот,
         если была 1, то станет 0. Обратите внимание, что в отличие от команды
         blink, вывод должен быть предварительно настроен на вывод.
   blink < pin>
         Выводит на вывод импульсы (on/off). Для завершения нажмите Ctrl-C.
         Внимание: эта команда явно настроит вывод в режим вывода.
   aread < pin>
         Чтение аналогового значения на указанном выводе pin. Эта команда должна
         использоваться совместно с флагом -x, чтобы добавить расширение,
         которое обрабатывает аналоговые входы. Например, команда
         gpio -x mcp3002:200:0 aread 200 прочитает первый аналоговый вход
         на микросхеме mcp3002 SPI ADC.
   awrite < pin> < value>
         Запишет аналоговое значение value в указанный вывод pin. Эта команда
         должна использоваться совместно с флагом -x, чтобы добавить расширение,
         которое обрабатывает аналоговые выходы. Например, команда
         gpio -x mcp4802:200:0 awrite 200 128 запишет значение 128 в первый
         порт DAC микросхемы mcp4802 на шине SPI0 Raspberry Pi.
   wb < value>
         Запишет указанный байт value в 8 основных выводов GPIO. Вы можете
         указать префикс 0x для значения байта, чтобы использовать hex формат.
         Необходимо предварительно настроить эти выводы на вывод.
   readall
         Выведет таблицу всех значений выводов GPIO. Будут представлены
         реальные прочитанные значения, если вывод настроен в режиме ввода,
         или последнее записанное значение, если вывод настроен в режиме
         вывода.
         Команда readall полезна с модулем расширения (через параметр -x),
         однако она не может определить режимы вывода или состояния, так
         что поэтому будет выполнять как цифровое, так и аналоговое считывание
         на каждом контакте по очереди.
   pwm < pin> < value>
         Выведет значение ШИМ (0-1023) на указанном выводе. Необходимо
         предварительно настроить вывод в режим PWM.
   clock < pin> < frequency>
         Установит указанную частоту frequency на указанном выводе pin.
         Вывод необходимо предварительно настроить в режиме тактирования
         (clock mode).
   mode < pin> < mode>
         Настроит вывод pin в режим ввода (input), вывода (output) или
         ШИМ (pwm). Также можно использовать литералы up, down или tri
         для установки внутренних pull-up, pull-down резисторов или
         режима третьего состояния (off).
         Режимы ALT также могут быть установлены с использованием alt0,
         alt1,  ... alt5.
   unexportall
         Отменит экспорт всех выводов GPIO в директории /sys/class/gpio.
   exports
         Напечатает список всех экспортированных выводов GPIO (если таковые
         есть) и их текущие значения.
   export Экспортирует вывод GPIO в директорию /sys/class/gpio. Используется
         наподобие упомянутой выше команды mode, однако поддерживаются
         только литералы in, out, high и low. Обратите внимание, что номер
         вывода это номер BCM_GPIO, но не номер wiringPi. Команды high и
         low предустанавливают выходное значение одновременно с экспортом
         в режиме вывода.
         Как только вывод GPIO был экспортирован, программа gpio меняет
         владельца /sys/class/gpio/gpioX/value, и если то присутствует
         в последующих ядрах, псевдофайлы /sys/class/gpio/gpioX/edge
         на пользователя, который запустил программу gpio. Это означает,
         что вы можете получить маленький скрипт, которым gpio делает
         экспорт для настройки выводов gpio, поскольку больше нет нужды
         запускать скрипт от имени root, или применять команду sudo.
   edge  Экспортирует вывод GPIO в директорию /sys/class/gpio, установит
         направление направление на input и установит метод прерывания
         по перепаду (edge interrupt) в none, rising, falling или both.
         Используется так же, как упомянутая выше команда export, и следует
         иметь в виду, что используется нумерация выводов BCM_GPIO, но не
         нумерация wiringPi.
         Так же, как и команды экспорта, владелец псевдофайла будет замен
         на пользователя, который запустил программу gpio, так что нет
         необходимости использовать права root или sudo.
   unexport
         Отменяет экспорт вывода GPIO в директории /sys/class/gpio.
   wfi < pin> < mode>
         Установит указанный вывод pin в поддерживаемый режим прерывания:
         rising, falling или both, затем запускается ожидание этого
         прерывания. Ожидание осуществляется не по опросу (non-busy
         wait), так что процессорное время CPU на ожидание не тратится.
   drive group value
         Меняет значение pad driver для указанной группы (pad group) на
         поддерживаемое drive value. Значение для group могут быть 0, 1
         или 2, и value 0 .. 7. Используйте это только если точно знаете,
         что делаете.
   usbp high | low
         Меняет ограничитель тока USB на high (1.2A) или на low (ограничение
         по умолчанию, 600 mA). Это применимо только для вариантов плат
         Model B+ и Model B, v2.
   pwm-bal/pwm-ms
         Меняет режим PWM на balanced (по умолчанию), или на mark:space
         ratio (традиционный режим).
   pwmr  Меняет регистр диапазона ШИМ (PWM range). Значение по умолчанию 1024.
   gbr channel
         Выполнит чтение преобразователя ADC на указанном канале channel
         платы Gertboard. Для этой операции необходимо установить
         соответствующие перемычки на плате.
   gbw channel value
         Запишет указанное значение value в выходной канал channel микросхемы
         SPI DAC платы Gertboards. Для этой операции необходимо установить
         соответствующие перемычки на плате.

Варианты нумерации выводов WiringPi, BCM_GPIO, Physical
      Самый быстрый способ получить список выводов и их отличия - запуск
      команды gpio readall.

ПРИМЕРЫ

   gpio mode 4 output     # установит вывод 4 на вывод
   gpio -g mode 23 output # установит вывод GPIO 23 на вывод
                          # (соответствует WiringPi pin 4)
   gpio mode 1 pwm        # установит вывод 1 в режим ШИМ
   gpio pwm 1 512         # установит на выводе 1 значение PWM 512,
                          # - половинная яркость
   gpio export 17 out     # настроит GPIO pin 17 на вывод
   gpio export 0 in       # настроит GPIO pin 0 (SDA0) на ввод.
   gpio -g read 0         # чтение GPIO pin 0 (SDA0)

ПРИМЕЧАНИЕ
   Когда используются команды export, edge или unexport, номера выводов всегда
   указывают как native BCM_GPIO, и никогда как номера wiringPi.
   Начиная с ядер 4.1.7 доступен механизм доступа к GPIO на уровне пользователя,
   однако wiringPi по умолчанию это не использует - потому что в настоящее
   время наблюдаются проблемы, когда делаются попытки запрограммировать
   аппаратный режим вывода PWM или clock. Если вы можете обойтись без PWM
   или GPIO clock, и вы хотите использовать GPIO из non-root программы, то
   необходимо гарантировать, что модуль bcm2835_gpiomem загружен в процессе
   запуска системы (boot time). Это должно произойти автоматически, когда вы
   разрешили device tree в raspi-config [9]. Вам также может понадобиться
   некоторая дополнительная информация в /etc/udev/rules.d/, чтобы поменять
   режим и владельца файла /dev/gpiomem. И в завершение, вам необходимо
   установить переменную окружения WIRINGPI_GPIOMEM. Это будет исправлено
   в будущих релизах, как только интерфейс /dev/gpiomem будет полностью
   введен в эксплуатацию.

СМ. ТАКЖЕ
   Домашнюю страничку WiringPi http://wiringpi.com/

АВТОР Gordon Henderson

СООБЩЕНИЯ О БАГАХ
   Направляйте в < projects@drogon.net>

COPYRIGHT
   Copyright (c) 2012-2018 Gordon Henderson. Это бесплатное ПО; см. исходный
   код для получения информации по условиям копирования. Не дается НИКАКИХ
   гарантий - даже ни для коммерции, ни для пригодности для определенных
   целей.

[Ссылки]

1. GPIO Programming: Using the sysfs Interface site:ics.com.
2. Using GPIO from a Linux Shell site:developer.technexion.com.
3. Stop using /sys/class/gpio – it’s deprecated site:thegoodpenguin.co.uk.
4. Linux kernel GPIO user space interface site:sergioprado.blog.
5. GPIO Driver Interface site:docs.kernel.org.
6. jefftranter / raspberrypi / gpio-board site:github.com.
7. The GPIO utility site:projects.drogon.net.
8. WiringPi / WiringPi site:github.com.
9. The raspi-config Tool site:raspberrypi.com.
10. Raspberry Pi 4 GPIO Pinout.