Linux gpio-mockup 虚拟GPIO设备安装与使用指南

Linux gpio-mockup 虚拟GPIO设备安装与使用指南

1. 简介

gpio-mockup 是 Linux 内核自带的一个虚拟GPIO控制器驱动，适用于开发、测试和CI环境下无真实GPIO硬件时的GPIO相关功能验证。配合 gpiod 工具可模拟真实GPIO芯片。

mockup虚拟GPIO的常见使用场景

• 驱动开发与调试：在没有真实GPIO硬件的环境下，开发和调试GPIO相关的内核驱动或用户空间程序。
• 自动化测试与CI/CD：在持续集成（CI）环境下自动化测试GPIO相关代码，无需真实硬件。
• 用户空间GPIO工具开发：开发和调试如libgpiod、gpiod命令行工具等用户空间GPIO操作工具。
• 教学与实验环境：在教学、培训、实验环境下演示GPIO子系统的用法和行为，无需物理硬件。
• 模拟中断/事件处理：配合内核自带的测试工具（如gpio-mockup-sim），模拟GPIO输入变化和中断触发，测试中断处理逻辑。
• 系统移植与适配：在移植新平台或适配新硬件前，先用mockup验证系统对GPIO的支持和配置流程。

优势：

• 无需真实硬件，任何Linux主机可用
• 灵活配置引脚和芯片数量
• 支持中断模拟，便于事件驱动测试
• 行为与真实GPIO一致，测试结果具备参考价值

典型用户：

• Linux内核/驱动开发者
• 自动化测试工程师
• 嵌入式系统开发者
• 教学/培训讲师
• 上层应用开发与验证人员

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2. 检查内核是否支持 gpio-mockup

modinfo gpio-mockup

有输出即表示内核已编译该模块。

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3. 加载 gpio-mockup 模块创建虚拟GPIO

3.1 作为可加载模块（推荐）

创建一个16引脚的虚拟GPIO芯片

sudo modprobe gpio-mockup gpio_mockup_ranges=-1,16

• 加载后会在 /dev/ 下生成新的 gpiochipN 设备（如 /dev/gpiochip0）。
• 可通过 gpiodetect、gpioinfo 查看。

创建多个虚拟芯片

sudo modprobe gpio-mockup gpio_mockup_ranges=-1,8,-1,12

• 上述命令会创建两个虚拟芯片，分别有8和12个引脚。

3.2 作为内建（built-in，y）进内核时的用法

如果你的内核将 gpio-mockup 编译为内建（y），则无法通过 modprobe/rmmod 动态加载或卸载。

传递参数方法：

• 只能通过内核启动参数传递参数。
• 以 gpio_mockup.gpio_mockup_ranges=... 形式添加到内核启动参数。

操作步骤：

1. 编辑 /etc/default/grub，在 GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT 或 GRUB_CMDLINE_LINUX 末尾添加：

   gpio_mockup.gpio_mockup_ranges=-1,8,-1,12
   

   例如：

   GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash gpio_mockup.gpio_mockup_ranges=-1,8,-1,12"
   

2. 更新 grub 并重启：

   sudo update-grub
   sudo reboot
   

3. 重启后用 gpiodetect、gpioinfo 检查虚拟GPIO是否生效。

注意：

• 内建驱动无法卸载，只能重启或重新编译内核去掉内建。
• 如需更改参数，需修改 grub 并重启。
• 也可在 grub 菜单临时编辑内核参数（启动时按 e，在 linux 行末尾添加参数，Ctrl+X 启动）。

3.3 常用参数与高级用法

除了最常用的 gpio_mockup_ranges 参数外，gpio-mockup 还支持以下常用参数，适合更复杂的测试和开发场景：

1. gpio_mockup_ranges

• 作用：指定要创建的虚拟GPIO芯片数量和每个芯片的引脚数。
• 格式：gpio_mockup_ranges=,[,,]...
  • 通常设为 -1（自动分配）
  • 为该芯片的引脚数
• 示例：

  sudo modprobe gpio-mockup gpio_mockup_ranges=-1,8,-1,16
  

  创建两个芯片，分别有8和16个引脚。

2. gpio_mockup_named_lines

• 作用：为每个虚拟GPIO芯片的引脚分配自定义名称，便于测试和识别。
• 格式：gpio_mockup_named_lines=chip0_line0,chip0_line1,...:chip1_line0,chip1_line1,...
• 示例：

  sudo modprobe gpio-mockup gpio_mockup_ranges=-1,2 gpio_mockup_named_lines=LED1,LED2
  

  这样 gpiochip0 的两个引脚会被命名为 LED1 和 LED2，用 sudo gpioinfo 可见。

3. gpio_mockup_hogs

• 作用：在加载时自动将指定引脚设置为特定方向和电平（“hog”），模拟上电时被外设占用的场景。
• 格式：gpio_mockup_hogs=::::[,::::]...
  • ：芯片编号（0为第一个mockup芯片）
  • ：引脚编号
  • ：hog名称
  • ：input 或 output
  • ：0 或 1（仅output时有效）
• 示例：

  sudo modprobe gpio-mockup gpio_mockup_ranges=-1,4 gpio_mockup_hogs=0:0:hog0:output:1,0:1:hog1:input:0
  

  这样第一个芯片的0号引脚会被"hog"为高电平输出，1号引脚为输入。

4. gpio_mockup_irq

• 作用：为每个芯片分配模拟中断（IRQ），用于测试中断相关功能。
• 格式：gpio_mockup_irq=[,...]
  • ：每个芯片分配的IRQ数量
• 示例：

  sudo modprobe gpio-mockup gpio_mockup_ranges=-1,8 gpio_mockup_irq=4
  

  为第一个芯片分配4个模拟IRQ。

5. 参数组合示例

sudo modprobe gpio-mockup \
  gpio_mockup_ranges=-1,4,-1,2 \
  gpio_mockup_named_lines=LED1,LED2,SW1,SW2:BTN1,BTN2 \
  gpio_mockup_hogs=0:0:hog0:output:1,1:1:hog1:input:0 \
  gpio_mockup_irq=2,1

• 创建两个芯片（4引脚和2引脚），分别命名，设置hog，分配IRQ。

6. 其他用法说明

• 与内核测试工具配合：可用 tools/gpio/gpio-mockup-sim 工具模拟输入变化和中断触发。
• 多芯片、多场景模拟：可一次性创建多个芯片，模拟复杂硬件环境。
• 命名和hog功能：便于自动化测试脚本识别和操作特定引脚。

更多参数和用法可参考 官方文档 或 modinfo gpio-mockup。

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4. gpiod 工具安装与基本用法

4.1 安装方法

Ubuntu/Debian 系统

sudo apt update
sudo apt install gpiod libgpiod-dev

RedHat/CentOS/Fedora 系统

sudo dnf install gpiod libgpiod-devel
# 或
sudo yum install gpiod libgpiod-devel

4.2 常用命令行工具

• gpiodetect ：列出系统中的 GPIO 芯片
• gpioinfo ：显示每个 GPIO 芯片的引脚信息
• gpioget ：读取 GPIO 引脚电平
• gpioset ：设置 GPIO 引脚电平
• gpiomon ：监控 GPIO 引脚的电平变化
• gpiofind ：查找特定名字的 GPIO 引脚

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5. 使用 gpiod 工具测试虚拟GPIO

请确保已正确安装gpiod工具。

sudo gpiodetect                # 列出所有GPIO芯片
sudo gpioinfo gpiochip0        # 查看虚拟芯片详细信息
sudo gpioset gpiochip0 0=1     # 设置第0号引脚为高电平
# 注意：直接用gpioset设置后用gpioget读取，并不能验证mockup引脚的输出状态。
# 原因：gpiod工具设计为输入/输出互斥，mockup驱动不会把输出状态反馈到输入端。
# 这样做无法测试输出电平是否被设置成功。
sudo gpioget gpiochip0 0       # 读取第0号引脚电平
sudo gpiomon gpiochip0 0       # 监控第0号引脚电平变化

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6. 卸载虚拟GPIO模块

• 仅限模块（m）方式可用：

  sudo rmmod gpio-mockup
  

• 内建（y）方式无法卸载，只能重启或重新编译内核。

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7. 常见问题

• 找不到gpio-mockup模块
  • 请确认内核版本较新（4.15+），并已编译gpio-mockup模块。
• gpiodetect无输出
  • 检查模块是否加载成功，或参数是否正确。
• 权限问题
  • 需root权限或将用户加入gpio组。
• 内建方式参数不生效
  • 请确认参数已正确添加到内核启动参数，并已重启。

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8. 参考资料

• Linux kernel documentation: gpio-mockup
• libgpiod 官方文档
• libgpiod man pages
• 树莓派 GPIO 使用 gpiod

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