Linux下如何获取GPIO引脚的具体编号？

在Linux系统中，GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）是一种常见的硬件接口，用于控制外部设备或读取外部信号，要正确操作GPIO，首先需要获取其对应的GPIO号，Linux内核通过多种方式管理和暴露GPIO，用户或开发者可通过设备树、sysfs接口或编程库（如libgpiod）来获取GPIO号,本文将详细介绍这些方法的具体步骤和原理。

GPIO号的基本概念

Linux中的GPIO号并非硬件上的固定编号，而是内核根据GPIO控制器的层级结构分配的逻辑编号，常见的编号方式有两种：线性编号和分层编号。

• 线性编号：早期Linux版本采用全局线性编号，所有GPIO控制器的GPIO统一从0开始连续编号，例如GPIO 0、GPIO 1……GPIO 100，这种方式简单直接，但在多控制器系统中容易冲突，且难以追溯GPIO所属的控制器。
• 分层编号：现代Linux内核推荐分层编号，格式为<chip_name>:<offset>，其中chip_name是GPIO控制器的名称（如gpiochip0），offset是该GPIO在控制器内的偏移量（从0开始），例如gpiochip0:18表示gpiochip0控制器的第18个GPIO，这种编号方式清晰且可扩展,是当前的主流方式。

通过设备树获取GPIO号

设备树（Device Tree, DT）是描述硬件结构的数据结构，Linux内核通过解析设备树来识别硬件资源，包括GPIO，在设备树中，GPIO通常通过gpio属性或pinctrl属性定义,开发者可通过以下步骤获取GPIO号：

定位设备树中的GPIO定义

在设备树源文件（.dts）中，外设节点（如LED、按键）会通过gpio属性引用GPIO，格式为：

led-gpio = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_HIGH>;

• &gpio1：引用名为gpio1的GPIO控制器节点（需在设备树中定义gpio-controller属性）；
• 18：GPIO在控制器内的偏移量；
• GPIO_ACTIVE_HIGH：GPIO的有效电平（高电平有效，可选参数）。

解析控制器节点获取基址

GPIO控制器节点（如gpio1）通常包含#gpio-cells和reg属性：

• #gpio-cells：指定GPIO描述符的元数（通常为2，分别对应偏移量和有效电平）；
• reg：控制器的寄存器基地址，用于内核分配线性编号时的基址计算。

内核在启动时会解析设备树，为每个GPIO控制器分配线性编号的基址（base）和GPIO数量（ngpio），例如gpio1的base为32，ngpio为32，则其管理的GPIO线性编号为32-63。

计算线性GPIO号

若需线性编号，可通过公式计算：
线性GPIO号 = 控制器基址（base） + 偏移量（offset）
例如gpio1的base为32，偏移量为18，则线性GPIO号为32+18=50。

查看设备树解析后的GPIO信息

内核启动后，可通过/proc/device-tree或libfdt工具查看解析后的GPIO信息，查看gpio1控制器的基址和数量：

cat /sys/class/gpio/gpiochip32/base  # 输出基址（如32）
cat /sys/class/gpio/gpiochip32/ngpio # 输出GPIO数量（如32）

通过sysfs接口获取GPIO号

sysfs是Linux内核提供的虚拟文件系统，用于导出硬件信息，虽然新版本内核推荐使用libgpiod，但sysfs仍可用于获取GPIO号,尤其适用于快速调试。

查看GPIO控制器信息

所有GPIO控制器位于/sys/class/gpio/目录下，名称格式为gpiochipN（N为控制器编号），通过以下命令列出所有控制器：

ls /sys/class/gpio/ | grep gpiochip

进入某个控制器目录（如gpiochip0），可查看其管理的GPIO范围：

cat /sys/class/gpio/gpiochip0/base  # 控制器起始GPIO号（线性编号）
cat /sys/class/gpio/gpiochip0/ngpio # 控制器管理的GPIO总数

gpiochip0的base为0，ngpio为64，则其管理的GPIO号为0-63。

导出并获取GPIO号

若需操作特定GPIO，可通过export文件导出（需root权限）：

echo <gpio_number> > /sys/class/gpio/export

导出后，系统会在/sys/class/gpio/下创建gpioN目录（N为线性GPIO号），例如导出GPIO 18后，路径为/sys/class/gpio/gpio18。

通过GPIO属性验证

在gpioN目录中，label文件可能包含GPIO的硬件描述（若设备树中定义），可用于确认GPIO号是否正确：

cat /sys/class/gpio/gpio18/label

若输出类似GPIO18或外设名称（如LED_GREEN）,则说明GPIO号正确。

sysfs关键文件说明

下表总结了sysfs中与GPIO相关的关键文件及其作用：

通过libgpiod库获取GPIO号

libgpiod是Linux官方推荐的GPIO操作库，支持分层编号，功能更完善且安全，以下以C语言为例,说明如何通过libgpiod获取GPIO号：

安装libgpiod工具和库

sudo apt install gpiod libgpiod-dev  # 安装工具和开发库

使用命令行工具查看GPIO信息

• gpiodetect：列出所有GPIO控制器及其名称和偏移量范围：

  gpiodetect
  # 输出示例：gpiochip0 [gpio0] (32 lines), gpiochip1 [gpio1] (32 lines)

  其中gpiochip0 [gpio0]表示控制器名称为gpiochip0，管理的GPIO偏移量为0-31。

• gpioinfo：查看指定控制器的GPIO线信息（包括偏移量、名称、方向等）：

  

  gpioinfo gpiochip0
  # 输出示例：
  # line 0:      "GPIO0"       unused input active-high
  # line 1:      "GPIO1"       unused input active-high
  # ...
  # line 18:     "LED_GREEN"   output active-high [used]

  输出中的line 18即偏移量为18的GPIO，结合控制器名称gpiochip0，分层编号为gpiochip0:18。

编程获取GPIO号

使用libgpiod库打开控制器并获取GPIO线的偏移量：

#include <gpiod.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    const char *chipname = "gpiochip0"; // 控制器名称
    struct gpiod_chip *chip;
    struct gpiod_line *line;
    int offset = 18; // 目标GPIO偏移量
    // 打开GPIO控制器
    chip = gpiod_chip_open_by_name(chipname);
    if (!chip) {
        perror("Failed to open chip");
        return 1;
    }
    // 获取GPIO线
    line = gpiod_chip_get_line(chip, offset);
    if (!line) {
        perror("Failed to get line");
        gpiod_chip_close(chip);
        return 1;
    }
    // 输出GPIO信息
    printf("Controller: %sn", gpiod_chip_name(chip));
    printf("Offset: %dn", gpiod_line_offset(line));
    printf("Name: %sn", gpiod_line_name(line) ? gpiod_line_name(line) : "unnamed");
    gpiod_line_release(line);
    gpiod_chip_close(chip);
    return 0;
}

编译并运行：

gcc -o gpio_info gpio_info.c -lgpiod
./gpio_info

输出将包含控制器名称、偏移量及GPIO名称，通过控制器名称:偏移量即可得到分层GPIO号。

获取Linux GPIO号的方法需根据场景选择：

• 设备树开发：通过解析设备树中的gpio属性和控制器节点，结合基址和偏移量计算线性编号，或直接使用分层编号<chip_name>:<offset>。
• 快速调试：使用sysfs接口，通过gpiochipN目录的base和ngpio确定GPIO范围，或导出GPIO后查看label文件验证。
• 编程开发：推荐使用libgpiod库，通过gpiodetect和gpioinfo命令查看GPIO信息，或调用API获取控制器和偏移量，形成分层编号。

随着Linux内核的发展，分层编号和libgpiod已成为主流，建议新项目优先采用,以提高代码的可读性和可维护性。

相关问答FAQs

Q1: 为什么在设备树中定义了GPIO，但通过gpioinfo却找不到对应的GPIO线？
A: 可能的原因包括：

1. 设备树未正确编译到内核或设备树文件（.dtb）未加载到系统中，可通过fdt addr命令检查设备树地址；
2. GPIO控制器驱动未加载，可通过lsmod | grep <controller_driver>查看驱动是否加载，或手动加载（如modprobe gpio_ich）；
3. GPIO已被其他设备占用，可通过gpioinfo查看[used]标记，或检查/sys/class/gpio/gpioN目录是否存在。

Q2: sysfs和libgpiod有什么区别？什么场景下使用哪种？
A: 区别如下：

• sysfs：是传统接口，通过文件操作GPIO，简单直观，但功能有限（如不支持原子操作），且存在并发安全问题（多进程同时操作同一GPIO时易冲突）。
• libgpiod：是现代库，基于字符设备（/dev/gpiochipN），支持分层编号、原子操作、多线程安全，并提供命令行工具和API接口。

场景选择：

• 快速调试或简单脚本操作，可使用sysfs；
• 驱动开发、复杂应用程序或需要稳定性的项目,推荐使用libgpiod。