点亮 LED-I.MX6U嵌入式Linux C应用编程学习笔记基于正点原子阿尔法开发板

点亮 LED

应用层操控硬件的两种方式

背景

• Linux系统将所有内容视作文件，包括硬件设备，通过文件I/O方式与硬件交互

• 设备文件，如字符设备文件与块设备文件，是硬件设备提供给应用层的接口

• 应用层通过设备文件进行I/O操作，以控制硬件如显示屏、串口等

• 设备文件位于/dev/目录，被称为设备节点

• 除了设备节点，硬件设备还可以通过sysfs文件系统进行控制

sysfs 文件系统

• sysfs是一种基于内存的虚拟文件系统，与devfs、proc文件系统类似，用于向应用层提供内核信息

• sysfs主要功能是对系统设备进行管理，展示系统硬件的层次结构

• sysfs通过分级的文件目录结构，展示设备驱动模型中各组件的层次关系

• sysfs提供机制显式描述内核对象、对象属性及对象间关系，并将这些信息导出到用户空间

sysfs 与/sys

• sysfs文件系统被挂载在/sys目录下，为Linux系统（如启动ALPHA/Mini I.MX6U开发板时）的标准组成部分

  • /sys 目录

• /sys目录下的子目录包括block、bus、class、dev、devices、firmware等，每个目录下含有多个文件或子目录，反映系统的不同方面

  • /sys 目录结构

• /sys/devices目录是sysfs中的核心，存放系统中所有设备的信息，是管理设备的主要目录结构

• /sys/bus、/sys/class、/sys/dev等目录通过不同的方式（如按总线类型、功能分类、设备号）组织设备信息，且这些目录下的文件通常链接到/sys/device

• 设备的属性和数据通过目录下的文件（称为属性文件）体现，通过读写这些文件可以访问或控制设备的属性和状态

小结

• 应用层控制底层硬件通常通过两种方式

  • /dev/目录下的设备文件（设备节点）

  • /sys/目录下的设备属性文件

• 选择使用/dev/目录或/sys/目录来操控设备依赖于设备的功能类型和设备驱动的实现方式

• 简单的设备如LED和GPIO倾向于使用sysfs方式，其驱动会将设备属性导出到用户空间的sysfs文件系统中

• 复杂的设备如LCD屏幕、触摸屏和摄像头则通常通过设备节点来进行控制

标准接口与非标准接口

• Linux内核引入了设备驱动框架概念，以降低驱动开发难度和实现接口标准化

• 内核为各种常见设备（如LED、输入设备、FrameBuffer、视频设备、PWM设备等）设计了一套标准的驱动实现框架

• 设备驱动框架为驱动开发和应用层提供统一的接口规范，简化了开发过程

• 使用设备驱动框架开发的驱动程序提供标准化接口，而不使用框架开发的驱动程序则提供非标准化接口

• 对于一些不属于任何标准分类的硬件外设，如杂项设备（misc device），其驱动程序通常提供非标准接口，具体控制方法由驱动工程师掌握

• 嵌入式系统中，许多硬件外设的驱动程序都是定制的，提供非标准化接口

LED 硬件控制方式

ALPHA/Mini I.MX6U 开发板出厂系统的 LED 设备是基于 Linux 内核标准 LED 驱动框架注册的，使用 sysfs 方式控制，没有在/dev 目录下的设备节点

/sys/class/leds 目录下存放了所有的 LED 设备，其中包括sys-led。目录下关注的主要是三个属性文件

• brightness（用于设置和获取 LED 的亮度等级）

  • 对于 PWM 控制的 LED，亮度等级对应不同的占空比，但对于 GPIO 控制的 LED，只有亮和灭两种亮度等级

• max_brightness（用于获取 LED 设备的最大亮度等级）

  • 只能被读取，不能写

• trigger（用于获取和设置 LED 的触发模式）

  • none（无触发）

  • mmc0（当对 mmc0 设备发起读写操作的时候 LED 会闪烁）

  • timer（LED 会有规律的一亮一灭，被定时器控制住）

  • heartbeat（心跳呼吸模式，LED 模仿人的心跳呼吸那样亮灭变化）

可以通过 echo 命令进行控制 LED 的亮度和触发模式，还可以编写应用程序，使用 write()、read()函数对这些属性文件进行 I/O 操作以达到控制 LED 的效果

• echo timer > trigger //将 LED 触发模式设置为 timer
  echo none > trigger //将 LED 触发模式设置为 none
  echo 1 > brightness //点亮 LED echo 0 > brightness//熄灭 LED

• 使用 cat 读取以及 echo 写入到属性文件中的均是字符串，应用程序中通过 write()向属性文件写入数据，以及使用 read()读取的数据也是字符串 ASCII 编码的

编写 LED 应用程序

开始：程序的入口点

校验传参：检查 argc 是否小于 2

• 如果是，则展示 USAGE 消息，程序异常退出（状态为 -1）

打开文件

• 尝试打开 trigger 文件，得到文件描述符 fd1

  • 如果 fd1 小于 0，打印 “open error”，程序异常退出（状态为 -1）

• 尝试打开 brightness 文件，得到文件描述符 fd2

  • 如果 fd2 小于 0，打印 “open error”，程序异常退出（状态为 -1）

如果 fd2 小于 0，打印 “open error”，程序异常退出（状态为 -1）

• 如果 argv[1] 等于 “on”

  • 写 “none” 到 fd1，写 “1” 到 fd2

• 如果 argv[1] 等于 “off”

  • 写 “none” 到 fd1，写 “0” 到 fd2

• 如果 argv[1] 等于 “trigger”

  • 检查 argc 是否等于 3

    • 如果不是，则展示 USAGE 消息，程序异常退出（状态为 -1）

  • 尝试写 argv[2] 到 fd1

    • 如果写操作返回值小于 0，打印 “write error”

• 如果没有匹配的参数，则展示 USAGE 消息

正常退出：程序正常退出，返回状态 0

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define  LED_TRIGGER    "/sys/class/leds/sys-led/trigger"
#define  LED_BRIGHTNESS "/sys/class/leds/sys-led/brightness"
//定义了控制LED触发模式和亮度的文件路径
#define  USAGE()    fprintf(stderr, "usage:\n"  \
                "    %s <on|off>\n"   \
                "    %s <trigger> <type>\n", argv[0], argv[0])
//fprintf函数用于格式化输出
//stderr表示标准错误输出流
// \ 是续行符，表示这一行未结束，下一行是本行的延续

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd1, fd2;

    /* 校验传参 */
    //如果参数为1个则报错
    if (2 > argc) {
        USAGE();
        exit(-1);
    }

    /* 打开文件 */
    fd1 = open(LED_TRIGGER, O_RDWR);    //返回一个文件描述符
    if (0 > fd1) {
        perror("open error");
        exit(-1);
    }

    fd2 = open(LED_BRIGHTNESS, O_RDWR);
    if (0 > fd2) {
        perror("open error");
        exit(-1);
    }

    /* 根据传参控制LED */
    //strcmp函数返回0表示两个字符串相等
    if (!strcmp(argv[1], "on")) {
        write(fd1, "none", 4); 	//先将触发模式设置为none
        //将字符串"none"写入文件描述符fd1所指向的文件,4表示写入的字节数
        write(fd2, "1", 1); 		//点亮LED
    }
    else if (!strcmp(argv[1], "off")) {
        write(fd1, "none", 4); 	//先将触发模式设置为none
        write(fd2, "0", 1); 		//LED灭
    }
    else if (!strcmp(argv[1], "trigger")) {
        if (3 != argc) {
            USAGE();
            exit(-1);
        }

        if (0 > write(fd1, argv[2], strlen(argv[2])))
            perror("write error");
    }
    else
        USAGE();

    exit(0);
}

在开发板上测试

通过gcc 编译器获得可执行文件后移植到开发板

./testApp on # 点亮 LED

./testApp off # 熄灭 LED
./testApp trigger heartbeat # 将 LED 触发模式设置为 heartbeat