GPIO模拟器：模拟GPIO控制器

通过sysfs或ioctl设置“引脚”电平和方向

项目概述

本项目旨在创建一个虚拟的GPIO控制器，允许用户在QEMU环境中模拟GPIO引脚的行为。通过sysfs或ioctl接口，用户可以设置引脚的电平（高/低）和方向（输入/输出），从而模拟真实硬件的行为。

核心功能

软件架构

用户空间 sysfs/ioctl接口 内核空间 应用程序 GPIO子系统 虚拟GPIO驱动 用户命令 虚拟硬件 QEMU环境

关键数据结构

#include 
#include 
#include 
#include 

#define VGPIO_MAJOR 240
#define VGPIO_MINORS 32
#define VGPIO_NGPIO 16

struct vgpio_pin {
    int direction; // 0:输入, 1:输出
    int value;     // 0:低电平, 1:高电平
};

struct vgpio_dev {
    struct cdev cdev;
    struct vgpio_pin pins[VGPIO_NGPIO];
};

static struct vgpio_dev vgpio_device;

API接口

接口类型 功能 示例用法
sysfs 通过文件系统操作GPIO echo 1 > /sys/class/gpio/gpio10/value
ioctl 通过设备文件进行控制 ioctl(fd, VGPIO_SET_DIR, &arg)

示例代码

初始化函数

static int __init vgpio_init(void)
{
    dev_t dev = MKDEV(VGPIO_MAJOR, 0);
    int ret;
    
    ret = register_chrdev_region(dev, VGPIO_MINORS, "vgpio");
    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "vgpio: unable to register device\n");
        return ret;
    }
    
    cdev_init(&vgpio_device.cdev, &vgpio_fops);
    vgpio_device.cdev.owner = THIS_MODULE;
    
    ret = cdev_add(&vgpio_device.cdev, dev, VGPIO_MINORS);
    if (ret) {
        unregister_chrdev_region(dev, VGPIO_MINORS);
        return ret;
    }
    
    // 初始化所有引脚为输入模式，低电平
    for (int i = 0; i < VGPIO_NGPIO; i++) {
        vgpio_device.pins[i].direction = 0;
        vgpio_device.pins[i].value = 0;
    }
    
    printk(KERN_INFO "vgpio: virtual GPIO device registered\n");
    return 0;
}

ioctl处理函数

static long vgpio_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    struct vgpio_pin pin;
    int nr = _IOC_NR(cmd);
    
    if (nr >= VGPIO_NGPIO)
        return -EINVAL;
    
    switch (cmd) {
    case VGPIO_SET_DIR:
        if (copy_from_user(&pin, (void __user *)arg, sizeof(pin)))
            return -EFAULT;
        vgpio_device.pins[nr].direction = pin.direction;
        break;
        
    case VGPIO_SET_VALUE:
        if (copy_from_user(&pin, (void __user *)arg, sizeof(pin)))
            return -EFAULT;
        if (vgpio_device.pins[nr].direction == 1) // 只有输出模式可以设置值
            vgpio_device.pins[nr].value = pin.value;
        break;
        
    default:
        return -ENOTTY;
    }
    
    return 0;
}

使用示例

  1. 加载驱动模块：insmod vgpio.ko
  2. 查看设备文件：ls /dev/vgpio*
  3. 设置引脚方向：echo out > /sys/class/gpio/gpio10/direction
  4. 设置引脚电平：echo 1 > /sys/class/gpio/gpio10/value
  5. 读取引脚状态：cat /sys/class/gpio/gpio10/value

应用场景