9. 控制LED灯设备(LED子系统)

本章分别使用C库和系统调用的文件操作方式控制开发板的LED灯,展示如何在应用层通过系统提供的设备文件控制相关硬件。

本章的示例代码目录为:base_code/linux_app/led/sys_class_leds。

9.1. LED子系统

在Linux系统中,绝大多数硬件设备都有非常成熟的驱动框架,驱动工程师使用这些框架添加与板子相关的硬件支持,建立硬件与Linux内核的联系,内核再通过统一文件系统接口呈现给用户,用户通过对应的设备文件控制硬件。

对于LED设备,Linux提供了LED子系统驱动框架,在Linux内核源码中的”Documentation/leds/leds-class.txt”有相关的描述,它实现了一个leds类,用户层通过sysfs文件系统对LED进行控制。

9.1.1. LED设备目录

使用了LED子系统驱动的设备,会被展现在/sys/class/leds目录下,可在主机和开发板使用如下命令查看,命令的输出可能会因为硬件环境不同而不一样:

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#在主机或ARM板的终端上执行如下命令:
ls /sys/class/leds/

#根据具体的目录内容继续查看:

#在主机上有input2::capslock目录,可在主机执行如下命令查看
ls /sys/class/leds/input2::capslock

#在开发板上有cpu目录,可在开发板上执行如下命令查看

ls /sys/class/leds/cpu

如下图

未找到图片02| 未找到图片03|

上图可看到,示例中的Ubuntu主机和开发板/sys/class/leds下包含了以LED设备名 字命名的目录,如”input2::capslock”、”input2::numlock”和”blue”、”cpu”等LED灯,这 些目录对应的具体LED灯如下表所示。

表 /sys/class/leds下目录对应的设备

/sys/class/leds下的目录 对应的LED灯设备
input2::capslock 键盘大写锁定指示灯(input后的数字编号可能不同)
input2::numlock 键盘数字键盘指示灯(input后的数字编号可能不同)
input2::scrolllock 键盘ScrollLock指示灯(input后的数字编号可能不同)
 
cpu 开发板的心跳灯
red Pro开发板RGB灯的红色,Mini开发板的用户灯
green Pro开发板RGB灯的绿色,Mini开发板的用户灯
blue Pro开发板RGB灯的蓝色,Mini开发板的用户灯
mmc0: SD卡指示灯(出厂镜像默认没有启用)

9.1.2. LED设备属性

上图中,在具体的LED目录下又包含brightness、max_brightness、trigger等文件,这些文件包含了LED设备的属性和控制接口。

  • max_brightness文件:表示LED灯的最大亮度值。
  • brightness文件:表示当前LED灯的亮度值,它的可取 值范围为[0~max_brightness],一些LED设备不支持多级亮度,直接以非0值来 表示LED为点亮状态,0值表示灭状态。
  • trigger文件:则指示了LED灯的触发方式,查看该文件的内容时,该文件会 列出它的所有可用触方式,而当前使用的触发方式会以”[]”符号括起。常见的触 发方式如下表所示。

表 trigger常见的触发方式

触发方式 说明
none 无触发方式
disk-activity 硬盘活动
nand-disk nand flash活动
mtd mtd设备活动
timer 定时器
heartbeat 系统心跳

9.2. 控制LED实验(C库函数)

在《命令行点灯和检测按键》章节中,我们演示了使用echo命令修改设备文件,实际上也可以使用gedit、Vim等编辑器进 行修改,修改时注意用户权限即可。既然设备是以文件形式提供的,那么自然也可以使用C库函数 或系统调用的方式读写文件,达到控制设备的目的。

9.2.1. 实验代码分析

本小节的示例代码目录为:led/sys_class_leds/c_stdio。

本小节先演示使用C库函数控制LED,具体如下所示。

通过C库函数控制LED(base_code/linux_app/led/sys_class_leds/c_stdio/sources/main.c文件)
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

//ARM 开发板LED设备的路径
#define RLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/red/brightness"
#define GLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/green/brightness"
#define BLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/blue/brightness"

//Ubuntu主机LED设备的路径,具体请根据自己的主机LED设备修改
// #define RLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::capslock/brightness"
// #define GLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::numlock/brightness"
// #define BLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::scrolllock/brightness"

int main(int argc, char *argv[])
{
   FILE *r_fd, *g_fd, *b_fd;

   printf("This is the led demo\n");
   //获取红灯的设备文件描述符
   r_fd = fopen(RLED_DEV_PATH, "w");
   if(r_fd < 0){
      printf("Fail to Open %s device\n", RLED_DEV_PATH);
      exit(1);
   }

   //获取绿灯的设备文件描述符
   g_fd = fopen(GLED_DEV_PATH, "w");
   if(g_fd < 0){
      printf("Fail to Open %s device\n", GLED_DEV_PATH);
      exit(1);
   }

   //获取蓝灯的设备文件描述符
   b_fd = fopen(BLED_DEV_PATH, "w");
   if(b_fd < 0){
      printf("Fail to Open %s device\n", BLED_DEV_PATH);
      exit(1);
   }

   while(1){
      //红灯亮
      fwrite("255",3,1,r_fd);
      fflush(r_fd);
      //延时1s
      sleep(1);
      //红灯灭
      fwrite("0",1,1,r_fd);
      fflush(r_fd);

      //绿灯亮
      fwrite("255",3,1,g_fd);
      fflush(g_fd);
      //延时1s
      sleep(1);
      //绿灯灭
      fwrite("0",1,1,g_fd);
      fflush(g_fd);

      //蓝灯亮
      fwrite("255",3,1,b_fd);
      fflush(b_fd);
      //延时1s
      sleep(1);
      //蓝灯亮
      fwrite("0",1,1,b_fd);
      fflush(b_fd);
   }
}

可以发现,这个控制LED灯的过程就是一个普通的文件写入流程:

  • 第5~13行:定义了三盏LED灯的brightness文件路径。配套的程序默认使用 开发板RGB灯的路径,如果要在Ubuntu主机上测试请根据自己主机上的设备文件修改10~13行的内容。
  • 第18~41行:使用fopen库函数,以”w”的写模式打开了三盏LED的brightness文件,并获得文件描述符。
  • 第43~70行:在循环中分别对三盏灯写入”255”和”0”的字符串来控制LED灯的亮 度,写入后调用了fflush库函数要求立刻把缓冲区的内容写入到文件上。

本代码有两处值得注意的地方:

如果是普通文件,按代码while循环的执行流程,运行一段时间后,由于多次 写入,文件中的内容应该为”255025502550255”这样的字符串,但对于此 处的brightness设备文件,它的最终内容只是”255”或”0”,而不是像普通 文件那样记录了一连串前面输入的字符。这是因为在LED的设备驱动层中 ,brightness文件就相当于一个函数的参数接口,每次对文件执行写入操 作时,会触发驱动代码以这次写入的内容作为参数,修改LED灯的亮度;而每次读 取操作时,则触发驱动代码更新当前LED灯亮度值到brightness文件,所以brightness始终 是一个0~255的亮度值,而不是”255025502550255”这样的字符串。特别地, 如果在一次写入操作中,直接写入”0255025502550”这样的 字符串,驱动层会把它当成数字255025502550,而该数字大于最大亮度值,所以它最终会以255的 亮度控制LED灯,若此时读取brightness文件,也会发现它的值确实是255。关于这些细节, 在学习了LED子系统框架后查看驱动源码可更好地了解。

另一处要注意的是代码中调用fwrite函数写入内容时,它可能只是把内容保存 到了C库的缓冲区,并没有执行真正的系统调用write函数把内容写入到设备文件,这种情况下LED灯 的状态是不会被改变的,代码中在fwrite函数后调用了fflush要求立刻把缓冲区的内容写入到文件,确保 执行了相应的操作。在实验时可以尝试把代码中的fflush都注释掉, 这种情况下有极大的几率是无法正常改变LED灯状态的。

如果不考虑操作的时间开销,其实控制硬件更推荐的做法是,每次控制LED灯都使用fopen—fwrite—fclose的 流程,这样就不需要考虑flseek、fflush的问题了。当然,我们最推崇的还是下一小节直接通过 系统调用来控制硬件的方式。

9.2.2. 编译及测试

本实验使用的Makefile由上一章节修改而来,修改了最终的可执行文件名为led_demo,以及C源 文件目录改为了main.c文件所在的sources,其它方面没有差异。

9.2.2.1. x86架构

本工程的main.c实验代码使用的设备文件默认是开发板 上的RGB灯,在Ubuntu主机上并没有这样的设备,如果想尝试在主机上使用, 可以根据自己Ubuntu主机上存的LED设备修改代码中的LED路径,然后使用make直接编译测试。

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#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#默认编译x86平台的程序
make
#运行需要root权限,要使用sudo运行
#运行需要root权限,要使用sudo运行
sudo ./build_x86/led_demo
#程序运行后终端会输出提示,相应的LED灯设备状态会改变

9.2.2.2. ARM架构

对于ARM架构的程序,可使用如下步骤进行编译:

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#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#编译arm平台的程序
make ARCH=arm

编译后生成的ARM平台程序为build_arm/led_demo,使用网络文件系统共享至开 发板,在开发板的终端上测试即可。

如下图:

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程序执行后终端会有输出,开发板上的三盏用户LED灯也会轮流闪烁。

9.3. 控制LED实验(系统调用)

由于使用C库的文件操作函数存在缓冲机制,使用它来控制硬件时存在不 确定性,所以我们更喜欢直接以系统调用来控制硬件设备。

9.3.1. 实验代码分析

本小节的示例代码目录为:led/sys_class_leds/c_systemcall。

本小节通过系统调用的文件操作方式控制LED,具体如下所示。

通过系统调用控制LED(base_code/linux_app/led/sys_class_leds/c_systemcall/sources/main.c文件)
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>

//ARM 开发板LED设备的路径
#define RLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/red/brightness"
#define GLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/green/brightness"
#define BLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/blue/brightness"

//Ubuntu主机LED设备的路径,具体请根据自己的主机LED设备修改
// #define RLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::capslock/brightness"
// #define GLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::numlock/brightness"
// #define BLED_DEV_PATH "/sys/class/leds/input2::scrolllock/brightness"

int main(int argc, char *argv[])
{
   int res = 0;
   int r_fd, g_fd, b_fd;

   printf("This is the led demo\n");
   //获取红灯的设备文件描述符
   r_fd = open(RLED_DEV_PATH, O_WRONLY);
   if(r_fd < 0){
      printf("Fail to Open %s device\n", RLED_DEV_PATH);
      exit(1);
   }
   //获取绿灯的设备文件描述符
   g_fd = open(GLED_DEV_PATH, O_WRONLY);
   if(g_fd < 0){
      printf("Fail to Open %s device\n", GLED_DEV_PATH);
      exit(1);
   }
   //获取蓝灯的设备文件描述符
   b_fd = open(BLED_DEV_PATH, O_WRONLY);
   if(b_fd < 0){
      printf("Fail to Open %s device\n", BLED_DEV_PATH);
      exit(1);
   }

   while(1){
      //红灯亮
      write(r_fd, "255", 3);
      //延时1s
      sleep(1);
      //红灯灭
      write(r_fd, "0", 1);

      //绿灯亮
      write(g_fd, "255", 3);
      //延时1s
      sleep(1);
      //绿灯灭
      write(g_fd, "0", 1);

      //蓝灯亮
      write(b_fd, "255", 3);
      //延时1s
      sleep(1);
      //蓝灯亮
      write(b_fd, "0", 1);
   }
}

本实验代码与上一小节使用C库函数操作的控制流程完全一样,只是把C库的文件操作 替换成了系统调用的文件操作方式,特别之处在于这种方式不需要调用fflush之类的 函数确保缓冲区的内容被写出,而且系统调用也不存在类似这样操作的函数。

相对C库函数的操作方式,通过系统调用更加简单直接,而且这种与设备文件联系比较 紧密的应用,C库函数兼容性好的优点也没有用武之地,所以在编写这类应用通常直接使用系统调用的方式。

9.3.2. 编译及测试

本实验使用的Makefile与上一小节的完全一样,不再分析。

本实验的x86和arm架构的编译、测试步骤也与上一小节完全一样,注意切换到对应的工程路径即可。

对于ARM架构的程序,可使用如下步骤进行编译:

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#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#编译arm平台的程序
make ARCH=arm

编译后生成的ARM平台程序为build_arm/led_demo,使用网络文件系统共享至开发 板,在开发板的终端上测试即可。

如下图:

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程序执行后终端会有输出,开发板上的三盏用户LED灯也会轮流闪烁,实验现象 与使用C库函数操作方式是一样的。