【正点原子Linux连载】第十五章点亮LED-摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux C应用编程指南V1.1

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第十五章点亮LED
对于一款学习型开发板来说，永远都绕不开LED这个小小的设备，基本上每块板子都至少会有一颗LED小灯，对于我们的阿尔法Linux开发板来说同样也是如此。
阿尔法Linux开发板（包括核心板和底板）上一共有3颗LED小灯，当仅有一颗LED能够被用户所控制，其它两颗均作为电源指示灯而存在，用户对其不可控制；LED通常是由GPIO所控制的，本章我们来学习如何编写应用程序控制LED灯的亮灭。

16.1应用层操控硬件的两种方式
在Linux系统下，一切皆文件！应用层如何操控底层硬件，同样也是通过文件I/O的方式来实现，前面我们给大家介绍了设备文件，包括字符设备文件和块设备文件，为啥叫设备文件？大家有没有想过这个问题呢？其实设备文件便是各种硬件设备向应用层提供的一个接口，应用层通过对设备文件的I/O操作来操控硬件设备，譬如LCD显示屏、串口、按键、摄像头等等，所以设备文件其实是与硬件设备相互对应的。设备文件通常在/dev/目录下，我们也把/dev目录下的文件称为设备节点。
设备节点并不是操控硬件设备的唯一途径，除此之外，我们还可以通过sysfs文件系统对硬件设备进行操控，接下来将进行介绍！
16.1.1sysfs文件系统
简单的说，sysfs是一个基于内存的文件系统，同devfs、proc文件系统一样，称为虚拟文件系统；它的作用是将内核信息以文件的方式提供给应用层使用。7.7小节中我们学习过proc文件系统，应用层可以通过proc文件系统得到系统信息和进程相关信息，与proc文件系统类似，sysfs文件系统的主要功能便是对系统设备进行管理，它可以产生一个包含所有系统硬件层次的视图。
sysfs文件系统把连接在系统上的设备和总线组织成为一个分级的文件、展示设备驱动模型中各组件的层次关系。sysfs提供了一种机制，可以显式的描述内核对象、对象属性及对象间关系，用来导出内核对象(kernel object，譬如一个硬件设备)的数据、属性到用户空间，以文件目录结构的形式为用户空间提供对这些数据、属性的访问支持。表 15.1.1描述了内核对象、对象属性及对象间关系在用户空间sysfs中的的表现：
内核中的组成要素 sysfs中的表现
内核对象（譬如一个硬件设备）目录
对象属性（譬如设备属性）文件
对象关系链接文件
表 15.1.1 内核对象、对象属性及对象间关系在用户空间的表现
16.1.2sysfs与/sys
sysfs文件系统挂载在/sys目录下，启动阿尔法I.MX6U Linux开发板，进入Linux系统（本篇使用的是出厂烧录的系统）之后，我们进入到/sys目录下查看，如下所示：

图 16.1.1 /sys目录
上图显示的便是sysfs文件系统中的目录，包括block、bus、class、dev、devices、firmware、fs、kernel、modules、power等，每个目录下又有许多文件或子目录，对这些目录的说明如所示：
/sys下的子目录说明
/dev/devices 这是系统中所有设备存放的目录，也就是系统中的所有设备在sysfs中的呈现、表达，也是sysfs管理设备的最重要的目录结构。
/dev/block 块设备的存放目录，这是一个过时的接口，按照sysfs的设计理念，系统所有的设备都存放在/sys/devices目录下，所以/dev/block目录下的文件通常是链接到/sys/devices目录下的文件。
/dev/bus 这是系统中的所有设备按照总线类型分类放置的目录结构，/sys/devices目录下每一种设备都是挂在某种总线下的，譬如i2c设备挂在I2C总线下。同样，/dev/bus目录下的文件通常也是链接到了/sys/devices目录。
/dev/class 这是系统中的所有设备按照其功能分类放置的目录结构，同样该目录下的文件也是链接到了/sys/devices目录。按照设备的功能划分组织在/dev/class目录下，譬如/sys/class/leds目录中存放了所有的LED设备，/sys/class/input目录中存放了所有的输入类设备。
/dev/dev 这是按照设备号的方式放置的目录结构，同样该目录下的文件也是链接到了/sys/devices目录。该目录下有很多以主设备号:次设备号（major:minor）命名的文件，这些文件都是链接文件，链接到/sys/devices目录下对应的设备。
/dev/firmware 描述了内核中的固件。
/dev/fs 用于描述系统中所有文件系统，包括文件系统本身和按文件系统分类存放的已挂载点。
/dev/kernel 这里是内核中所有可调参数的位置。
/dev/module 这里有系统中所有模块的信息。
/dev/power 这里是系统中电源选项，有一些属性可以用于控制整个系统的电源状态。
表 15.1.2 /sys目录结构
系统中所有的设备（对象）都会在/dev/devices体现出来，是sysfs文件系统中最重要的目录结构；而/dev/bus、/dev/class、/dev/dev分别将设备按照挂载的总线类型、功能分类以及设备号的形式将设备组织存放在这些目录中，这些目录下的文件都是链接到了/dev/devices中。
设备的一些属性、数据通常会通过设备目录下的文件体现出来，也就是说设备的数据、属性会导出到用户空间，以文件形式为用户空间提供对这些数据、属性的访问支持，可以把这些文件称为属性文件；读这些属性文件就表示读取设备的属性信息，相反写属性文件就表示对设备的属性进行设置、以控制设备的状态。
16.1.3总结
这里给大家进行一个总结，应用层想要对底层硬件进行操控，通常可以通过两种方式：
/dev/目录下的设备文件（设备节点）；
/sys/目录下设备的属性文件。
具体使用哪种方式需要根据不同功能类型设备进行选择，有些设备只能通过设备节点进行操控，而有些设备只能通过sysfs方式进行操控；当然跟设备驱动具体的实现方式有关，通常情况下，一般简单地设备会使用sysfs方式操控，其设备驱动在实现时会将设备的一些属性导出到用户空间sysfs文件系统，以属性文件的形式为用户空间提供对这些数据、属性的访问支持，譬如LED、GPIO等。
但对于一些较复杂的设备通常会使用设备节点的方式，譬如LCD等、触摸屏、摄像头等。
16.2LED硬件控制方式
阿尔法I.MX6U Linux开发板底板上有一颗可被用户控制的LED灯，如下所示：

图 16.2.1 用户LED灯
上图中箭头所指的LED便是开发板上唯一一个可以被用户所控制的LED（名称为DS0），上面的那颗LED（名称为PWR）是底板的电源指示灯。
对于阿尔法I.MX6U Linux开发板出厂系统来说，此LED设备使用的是Linux内核标准LED驱动框架注册而成，在/dev目录下并没有其对应的设备节点，其实现使用sysfs方式控制。进入到/sys/class/leds目录下，如下所示：

图 16.2.2 /sys/class/leds目录
上小节介绍了/sys/class目录，系统中的所有设备根据其功能分类组织到了/sys/class目录下，所以/sys/class/leds目录下便存放了所有的LED类设备。从上图可以看到该目录下有一个sys-led文件夹，这个便是底板上的用户LED设备文件夹，进入到该目录下，如下所示：

图 16.2.3 sys-led文件夹
这里我们主要关注便是brightness、max_brightness以及trigger三个文件，这三个文件都是LED设备的属性文件：
brightness：翻译过来就是亮度的意思，该属性文件可读可写；所以这个属性文件是用于设置LED的亮度等级或者获取当前LED的亮度等级，譬如brightness等于0表示LED灭，brightness为正整数表示LED亮，其值越大、LED越亮；对于PWM控制的LED来说，这通常是适用的，因为它存在亮度等级的问题，不同的亮度等级对应不同的占空比，自然LED的亮度也是不同的；但对于GPIO控制（控制GPIO输出高低电平）的LED来说，通常不存在亮度等级这样的说法，只有LED亮（brightness等于0）和LED灭（brightness为非0值的正整数）两种状态，阿尔法板子上的这颗LED就是如此，所以自然就不存在亮度等级一说，只有亮和灭。
max_brightness：该属性文件只能被读取，不能写，用于获取LED设备的最大亮度等级。
trigger：触发模式，该属性文件可读可写，读表示获取LED当前的触发模式，写表示设置LED的触发模式。不同的触发模式其触发条件不同，LED设备会根据不同的触发条件自动控制其亮、灭状态，通过cat命令查看该属性文件，可获取LED支持的所有触发模式以及LED当前被设置的触发模式：

图 16.2.4 LED支持的所有触发模式
方括号（[heartbeat]）括起来的表示当前LED对应的触发模式，none表示无触发，常用的触发模式包括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）。
通常系统启动之后，会将板子上的一颗LED设置为heartbeat触发模式，将其作为系统正常运行的指示灯，譬如阿尔法Linux开发板系统启动之后，底板上的用户LED就会处于心跳呼吸模式，这个大家自己观察便可知道。
通过上面的介绍，已经知道如何去控制阿尔法底板上的用户LED了，譬如通过echo命令进行控制：
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
大家可以自己动手使用echo或cat命令进行测试、控制LED状态；除了使用echo或cat命令之后，同样我们编写应用程序，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。
Tips：命令cat读取以及echo写入到属性文件中的均是字符串，所以如果在应用程序中通过write()向属性文件写入数据，同样也要是字符串形式；同理，使用read()读取的数据也是字符串ASCII编码的。
16.3编写LED应用程序
本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C应用编程例程源码->16_led->led.c。
通过上一小节的介绍，我们已经知道了如何控制LED，接下来编写一个简单地示例代码演示如何控制LED，测试代码如下所示：
示例代码 16.3.1 LED应用程序

#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"
#define  USAGE()    fprintf(stderr, "usage:\n"  \"    %s <on|off>\n"   \"    %s <trigger> <type>\n", argv[0], argv[0])int main(int argc, char *argv[])
{int fd1, fd2;/* 校验传参 */if (2 > argc) {USAGE();exit(-1);}/* 打开文件 */fd1 = open(LED_TRIGGER, O_RDWR);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 */if (!strcmp(argv[1], "on")) {write(fd1, "none", 4);   //先将触发模式设置为nonewrite(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nonewrite(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");}elseUSAGE();exit(0);
}

程序中定义了两个宏，LED_TRIGGER和LED_BRIGHTNESS，分别对应/sys/class/leds/sys-led/trigger和/sys/class/leds/sys-led/brightness属性文件，宏USAGE()用于打印程序的使用方法；程序首先会调用open()函数打开这两个属性文件，之后判断传入参数指向相应的动作，传入"on"表示点亮LED，先调用write()将"none"写入到trigger属性文件中，也就是设置为无触发，接着再向brightness属性文件中写入"1"点亮LED；传入"off"表示熄灭LED，同样也是先调用write()将"none"写入到trigger属性文件设置LED为无触发，接着再向brightness属性文件中写入"0"熄灭LED；传入"trigger"表示设置LED的触发模式，则需要传入第二个参数，第二个参数表示需要设置的模式。
整个代码非常简单，接下来对测试代码进行编译，需要注意的时，由于我们是在阿尔法I.MX6U开发板上运行程序，所以需要阿尔法I.MX6U硬件平台对应的交叉编译工具来编译测试代码，这样编译得到的可执行文件才能在开发板上运行。
首先大家需要安装阿尔法I.MX6U硬件平台对应的交叉编译工具，如何安装呢？直接参考“开发板光盘资料A-基础资料/【正点原子】I.MX6U用户快速体验V1.7.3.pdf”文档中的第四章内容，根据文档的指示安装好交叉编译工具，当然如果你已经在Ubuntu系统下安装过了，就不用再次安装了。
安装完成之后，在使用之前先对交叉编译工具的环境进行设置，使用source执行安装目录下的environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi脚本文件即可，如下所示：
source /opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0/environment-setup-cortexa7hf-neon-poky-linux-gnueabi
/opt/fsl-imx-x11/4.1.15-2.1.0便是笔者在Ubuntu系统下安装交叉编译工具时对应的安装目录，大家根据自己的情况设置正确的路径。处理完成之后，接下来我们便可以对示例代码 15.3.1进行编译了：

图 16.3.1 交叉编译应用程序
CC变量其实就是交叉编译工具，如下所示：

图 16.3.2 变量CC
所以CC环境变量其实就是ARM架构下的gcc编译器—交叉编译工具arm-poky-linux-gnueabi-gcc，后面指定了一些选项，这些选项就不用管了；编译成功之后，会生成可在阿尔法IMX6U开发板上运行的可执行文件testApp，使用file命令可以查看testApp可执行文件的类型：

图 16.3.3 testApp文件类型
可以看出该文件是一个32位ARM架构下的可执行文件。
16.4在开发板上测试
启动开发板进入Linux系统，将上小节编译得到的可执行文件testApp拷贝到开发板根文件系统中，譬如拷贝到开发板Linux系统的家目录下，如下图所示：

图 16.4.1 testApp拷贝到开发板
拷贝方法很多，推荐大家使用scp命令，这里就不再介绍了。
接下来执行testApp程序测试：

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

图 16.4.2 测试结果
查看LED状态是否与程序执行的效果一致！

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