GPIO
GPIO 引脚是树莓派与外部世界之间的物理接口，树莓派可以通过这些引脚连接外部电路来控制和监视外部世界，我们称之为物理计算。在 Pi3 上有 40 个 GPIO 的引脚，它们提供不同的功能，在树莓派网站有详细的介绍。
对于 GPIO 的控制和访问，树莓派平台有丰富的库函数提供支持，Wiring Pi 和 RPi.GPIO 等都提供了很好的封装，同时 Linux 内核中也包含了 GPIO 的驱动程序，可以很方便的使用。
Wiring Pi
WiringPi 是应用于树莓派平台的 GPIO 控制库函数，它遵守 GUN Lv3 并且适用于 C/C++ 开发。
Blink 相当于 GPIO 接口的世界里的 “Hello World” ，因为可以以最简单的程序和电路让你了解发生了什么。
编写一个测试程序：
#include <wiringPi.h>
int main (void)
{
wiringPiSetup () ;
pinMode (0, OUTPUT) ;
for (;;)
{
digitalWrite (0, HIGH) ; delay (500) ;
digitalWrite (0, LOW) ; delay (500) ;
}
return 0 ;
}
编译并执行：
gcc -Wall -o blink blink.c -lwiringPi
sudo ./blink
连接电路，将一个 LED 灯与 GPIO 引脚相连并接地，如果一切正常，就可以看到 LED 每秒闪烁一次。
MAX7219
MAX7219 是一种集成化的串行输入输出共阴极显示驱动器，它连接微处理器与 8 位数字的 7 段数字 LED 显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。
寻址
数据寄存器由一个在片上的 8*8 的双向 SRAM 来实现。它们可以直接寻址，每个数据都可以独立的修改或保存。控制寄存器包括编码模式、显示亮度、扫描限制、关闭模式以及显示检测五个寄存器。
串行地址格式
DIN 引脚串行输入数据，CLK 上升沿控制每一位的写入。
void Write_Max7219_byte(uchar DATA) {
for (int i = 0; i < 8 ; i++) {
digitalWrite(Max7219_pinCLK, LOW);
digitalWrite (Max7219_pinDIN, DATA & 0x80) ;
DATA = DATA << 1;
digitalWrite(Max7219_pinCLK, HIGH);
}
}
每次输入的数据分为 8 位选址和 8 位数据，16 位数据在 CS 上升沿被写入数据寄存器或控制寄存器。
//功能：向 MAX7219 写入数据
//参数：地址，数据
void Write_Max7219(uchar address, uchar dat) {
digitalWrite (Max7219_pinCS, LOW) ;
Write_Max7219_byte(address); //写入地址
Write_Max7219_byte(dat); //写入数据
digitalWrite (Max7219_pinCS, HIGH) ;
}
初始化
程序开始，首先写控制寄存器，设置一些必要的参数：
void Init_MAX7219(void) {
Write_Max7219(0x09, 0x00); //译码方式：BCD码
Write_Max7219(0x0a, 0x03); //亮度
Write_Max7219(0x0b, 0x07); //扫描界限；8个数码管显示
Write_Max7219(0x0c, 0x01); //掉电模式：0，普通模式：1
Write_Max7219(0x0f, 0x00); //显示测试：1；测试结束，正常显示：0
}
显示字库
使用 8*8 点阵字模，循环显示 0-9/a-z：
int main() {
// 配置 GPIO
wiringPiSetup () ;
pinMode (Max7219_pinCLK, OUTPUT) ;
pinMode (Max7219_pinCS, OUTPUT) ;
pinMode (Max7219_pinDIN, OUTPUT) ;
// 配置 MAX7219
Init_MAX7219();
// 循环显示字符
while (1) {
for (int j = 0; j < 36; j++) {
for (int i = 0; i < 8; i++)
Write_Max7219(i + 1, disp1[j][i]);
delay(1000);
}
}
return 0;
}
GPIO 驱动
Linux 内核中的驱动程序实现了一套函数，内核中的其他部分可以利用它们来建立使用 GPIO 某种具体的硬件设备的驱动程序。
引入头文件:
#include <linux/gpio.h>
每个 GPIO 引脚被赋予唯一的正整数值，可以测试某个引脚是否可用：
int gpio_is_valid(int number);
如果测试某个引脚不在可用状态，首先要分配这个引脚：
int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);
之后要规定引脚的方向，即输入还是输出：
/* set as input or output, returning 0 or negative errno */
int gpio_direction_input(unsigned gpio);
int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);
读取或设置引脚有两种方式，其中一种是利用自旋锁的方式，这种方式不会进入休眠状态：
/* GPIO INPUT: return zero or nonzero */
int gpio_get_value(unsigned gpio);
/* GPIO OUTPUT */
void gpio_set_value(unsigned gpio, int value);
或者另一种允许睡眠的方式：
/* GPIO INPUT: return zero or nonzero, might sleep */
int gpio_get_value_cansleep(unsigned gpio);
/* GPIO OUTPUT, might sleep */
void gpio_set_value_cansleep(unsigned gpio, int value);
在某个 GPIO 使用完毕后，可以释放之前请求的引脚：
/* release previously-claimed GPIO */
void gpio_free(unsigned gpio);
设备驱动
为系统添加一个设备驱动程序，直接访问 GPIO 控制寄存器，能将写入设备文件中的字符在矩阵上显示出来。
我们以内核模块的方式将驱动程序插入到内核，设备相当于 /dev/ 文件夹下的一个文件，向该文件中写入的内容会自动传送给设备驱动程序进行处理，设备驱动程序负责控制外部设备并交换数据。
由于内核态只能调用内核中的函数，正好 Linux 内核中就自带了 GPIO 驱动函数，可以很方便地使用。
模块初始化
在内核模块加载回调函数中，需要进行设备的注册和 GPIO 端口的初始化:
static int __init hello_init(void) {
misc_register(&MAX7219_misc_device);
gpio_request(Max7219_pinDIN, "sysfs");
gpio_direction_output(Max7219_pinDIN, 0);
gpio_request(Max7219_pinCS, "sysfs");
gpio_direction_output(Max7219_pinCS, 1);
gpio_request(Max7219_pinCLK, "sysfs");
gpio_direction_output(Max7219_pinCLK, 0);
MAX7219_init();
printk("MAX7219 device has been registed.\n");
return 0;
}
注册设备
在 Linux 驱动中把无法归类的五花八门的设备定义为杂项设备，杂项设备是在嵌入式系统中用得比较多。
杂项设备结构体声明在 include/linux/miscdevice.h 中：
struct miscdevice {
int minor;
const char *name;
const struct file_operations *fops;
struct list_head list;
struct device *parent;
struct device *this_device;
const struct attribute_group **groups;
const char *nodename;
umode_t mode;
};
定义一个杂项设备结构体，设置设备名称为 MAX7219，其中 file_operations 结构表示注册的文件操作接口。
static struct miscdevice MAX7219_misc_device = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = "MAX7219",
.fops = &MAX7219_fops
};
向设备输入时会调用 const struct file_operations *fops; 结构中注册的文件操作接口，将 write 操作注册为新的功能函数：
static struct file_operations MAX7219_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.write = MAX7219_write,
.llseek = noop_llseek
};
int misc_register(struct miscdevice *misc) 函数注册一个设备，传入设备相关信息的结构体:
Write 操作
每次向设备文件的输入会调用文件操作结构中的 write 函数，因此我们覆盖这个函数，设置环形缓冲区，在该函数中将每次输入的字符存入缓冲区，并调用定时显示函数，将缓冲区中的字符输出到 LED 显示：
static int MAX7219_write(struct file *file, const char __user *buffer, size_t count, loff_t *ppos) {
int i;
for (i = 0; i < count; i++) {
ptr_inc(&tail);
if (tail == head)
ptr_inc(&head);
queue[tail] = buffer[i];
}
display();
return count;
}
显示字符
字符显示的方式与之前一样，根据 MAX7219 的规则操纵 GPIO 端口，此时应该使用内核中的 GPIO 驱动函数：
void Write_Max7219_byte(uchar DATA) {
uchar i;
for (i = 0; i < 8 ; i++) {
gpio_set_value(Max7219_pinCLK, LOW);
gpio_set_value (Max7219_pinDIN, DATA & 0x80) ;
DATA = DATA << 1;
gpio_set_value(Max7219_pinCLK, HIGH);
}
}
void Write_Max7219(uchar address, uchar dat) {
gpio_set_value(Max7219_pinCS, LOW);
Write_Max7219_byte(address);
Write_Max7219_byte(dat);
gpio_set_value(Max7219_pinCS, HIGH);
}
void Render_MAX7219(unsigned char* matrix) {
int i;
for (i = 0; i < 8; i++) {
Write_Max7219(i + 1, matrix[i]);
}
}
加载模块
编写 Makefile，利用 make 命令编译内核模块，insmod 命令将模块插入内核，可以看到模块加载时的输出。
测试
向 /dev/MAX7219 文件中写入数据并保存，LED 会自动显示输入的字符串，至此设备驱动添加成功。
