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【树莓派学习笔记】九 C语言寄存器操作控制GPIO

时间：2021-06-02 06:52:20

CPU型号确定

由

pinout

命令可知，所用的板子Soc型号为BCM2837

寄存器的地址问题

本节内容修改自虚拟地址/物理地址——virtual address(memory)/physical address: 树莓派 mmap example —— 风竹夜

由于官方只公开了BCM2835的芯片手册(Raspberry Pi Documentation)，而我们用的板子Soc为BCM2837，因此由手册得到的地址是不准确的。但两个芯片外设上区别不大，手册仍有一定的参考价值。

手册第5页描绘了BCM2835的地址映射情况

其中要区分文档中的三个地址，Bus Address、Physical Address、Virtual Address

在树莓派中，借助ARM内部的MMU，CPU外设物理地址映射成了虚拟地址。

这里的Virtual Address和Physical Address是通过 ARM MMU 来实现映射的（先不管cache等其他因素）。主板上外设的实际地址是Physical Address，所以要访问 GPIO 寄存器，也就是访问Physical Address中从 0x20000000 开始的某处的地址，那么就需要在代码中访问Virtual Address中从 0xF2000000 开始的某处的地址，由于该虚拟地址在高地址内存，因此只能在内核的代码中才能够访问到。

而在树莓派3B中我们可以通过

sudo cat /proc/iomem

命令获取物理地址分配情况

由图可知，树莓派3B GPIO 的物理起始地址为0x3f200000

GPIO寄存器

从手册第89页开始详细地描述了GPIO外设。

第90-91页的表格标明了和GPIO相关的寄存器的地址。

其中GPFESLn（选择引脚功能）、GPSETn（设置引脚输出高电平）和GPCLRn（设置引脚输出低电平）是控制引脚输出电平需要用到的寄存器。

虽然树莓派3B的Soc换成了BCM2837，GPIO外设的基地址有变，但手册上的偏移地址还是有参考价值的。

其中GPFESL0的偏移地址为0x00；GPSET0的偏移地址为0x1C；GPCLRn的偏移地址为0x28

GPFESLn

由手册知

GPFESL0控制GPIO Pin 0~9；

GPFESL1控制GPIO Pin 10~19；

GPFESL2控制GPIO Pin 20~29；

GPFESL3控制GPIO Pin 30~39；

GPFESL4控制GPIO Pin 40~49；

GPFESL5控制GPIO Pin 50~59；

3位为间隔，000 为输入，001为输出

GPSETn

由手册知

GPSET0控制GPIO pin 0~31

GPSET1控制GPIO pin 32~53

GPCLRn

由手册知

GPCLR0控制GPIO pin 0~31

GPCLR1控制GPIO pin 32~53

重要函数

mmap函数

mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。mmap操作提供了一种机制，让用户程序直接访问设备内存，这种机制，相比较在用户空间和内核空间互相拷贝数据，效率更高。

void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
start：映射区的开始地址，设置为0时表示由系统决定映射区的起始地址。
length：映射区的长度。//长度单位是以字节为单位，不足一内存页按一内存页处理。
prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。
PROT_EXEC //页内容可以被执行；
PROT_READ //页内容可以被读取；
PROT_WRITE //页可以被写入；
PROT_NONE //页不可访问
flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。
fd：有效的文件描述词。一般是由open()函数返回。
offset：被映射对象内容的起点。
返回值：成功：被映射区的指针。失败：MAP_FAILED[其值为(void *)-1]。

munmap函数

munmap()用来取消参数start所指的映射内存起始地址

int munmap(void *start,size_t length);
start：映射区的开始地址
length：欲取消的内存大小
返回值：成功：0；失败：-1。

点灯程序

在合适的地方编写main.c文件

nano main.c

#include <stdio.h>#include <sys/mman.h> //mmap、munmap函数的定义#include <fcntl.h>//open函数的定义#include <unistd.h>//close函数的定义#include <stdint.h>//uint8_t、uint32_t等类型的定义#include <unistd.h>//sleep函数的定义#define GPIO_BASE_Physical_Address 0x3f200000#define GPFSEL0_Offs 0x00 #define GPSET0_Offs0x1C#define GPCLR0_Offs0x28 int main(int argc, char *argv[]){int fd;uint8_t Pin = 3;fd = open("/dev/gpiomem", O_RDWR);if (fd == -1) //只有root用户才能读取/dev/mem, 故本实验选择读取/dev/gpiomem，以实现普通用户控制GPIO{printf("open Error!\n");return -1;}void *GPIO_BASE = mmap(0, sysconf(_SC_PAGESIZE), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED , fd, GPIO_BASE_Physical_Address);close(fd);if(GPIO_BASE == MAP_FAILED){printf("mmap Error!\n");return -1;}volatile uint32_t * GPFSEL0 = (uint32_t *)(GPIO_BASE + GPFSEL0_Offs);volatile uint32_t * GPSET0 = (uint32_t *)(GPIO_BASE + GPSET0_Offs);volatile uint32_t * GPCLR0 = (uint32_t *)(GPIO_BASE + GPCLR0_Offs);*GPFSEL0 = (*GPFSEL0 & ~((uint32_t)7 << (3 * Pin))) | ((uint32_t)1) << (3 * Pin); //设置Pin 3为输出模式for(uint8_t i = 0; i < 10; ++i) //反转Pin 3 i次{*GPCLR0 = ((uint32_t)1) << Pin; sleep(1);*GPSET0 = ((uint32_t)1) << Pin;sleep(1);}*GPFSEL0 = *GPFSEL0 & ~((uint32_t)7 << (3 * Pin)); //设置Pin 3为输入模式if(munmap(GPIO_BASE, sysconf(_SC_PAGESIZE)) == -1){printf("munmap Error!\n");return -1;}GPIO_BASE = MAP_FAILED;GPFSEL0 = MAP_FAILED;GPSET0 = MAP_FAILED;GPCLR0 = MAP_FAILED;return 0;}

其中sysconf(_SC_PAGESIZE)为页的长度，相关知识见yaaangmin大佬的视频：深入理解计算机系统20：内存 - 多级页表、虚拟地址、物理地址

编写Makefile文件

nano Makefile

注意Makefile里的缩进为Tab而不是空格

main: main.ogcc -o main main.omain.o: main.cgcc -c lean:rm *.orm mainclear:rm *.orm main

编译并测试

make

./main

可见Pin 3 脚所连LED闪烁(Pin 3脚已事先接好LED和限流电阻下拉至GND)

此编号对应

gpio readall

命令下的BCM编号