树莓派学习笔记——GPIO功能学习

0.前言

树莓派现在越来越火，网上树莓派的资料也越来越多。树莓派源自英国，国外嵌入式开源领域具有良好的分享精神，树莓派各种集成库也层出不穷，下面推荐几个。

【python GPIO】 【开发语言】——python 【简单介绍】——该库更确切的名称为raspberry-gpio-python，树莓派官方资料中推荐且容易上手。python GPIO是一个小型的python库，可以帮助用户完成raspberry相关IO口操作。但是python GPIO库还没有支持SPI、I2C或者1-wire等总线接口。除了python GPIO之外，还有众多的python扩展库（例如webiopi），毫无疑问的说python非常适合树莓派，树莓派也非常适合python。
【wiringPi】
【开发语言】——C语言 【简单介绍】——wiringPi适合那些具有C语言基础，在接触树莓派之前已经接触过单片机或者嵌入式开发的人群。wiringPi的API函数和arduino非常相似，这也使得它广受欢迎。作者给出了大量的说明和示例代码，这些示例代码也包括UART设备，I2C设备和SPI设备等，毫无疑问地说wiringPi功能非常强大。
【BCM2835 C Library】 【开发语言】——C语言 【简单介绍】BCM2835 C Library可以理解为使用C语言实现的相关底层驱动，它给我的感觉更像STM32的库函数，BCM2835 C Library的驱动库包括GPIO、SPI和UART等，可以通过学习BCM2835 C Library熟悉BCM2835相关的寄存器操作。如果有机会开发树莓派上的linux驱动，或自主开发python或PHP扩展驱动，可以从BCM2835 C Library找到不少的“灵感”。 【相关博文】 更多树莓派学习笔记请参考——【树莓派学习笔记——索引博文】

1.硬件准备

【树莓派】——在开始所有的实验之前，你需要一块完整的树莓派。 【IO扩展板】——可以通过淘宝购买IO扩展板，或者购买万用板和杜邦线自行制作IO扩展板。


图1 树莓派扩展板——图片来自 天猫 大菠萝数码专营店



图2 运行效果图

2.注意事项

【编号方式】


图3 GPIO编号方式——该图片来自wiringPi说明文档
树莓派的软件扩展库虽然很多，但也导致了扩展库“碎片化”的问题，例如操作树莓派的GPIO端口，GPIO的编号便存在三种不同的方式 【1】插座编号方式 编号侧重P1插座侧，从上到下，从左到右。正如图3的Header一栏。 【2】BCM2835编号方式 编号侧重CPU寄存器，根据BCM2835的GPIO寄存器编号。正如图3 BCM GPIO一栏。 【3】wiringPi编号方式 编号侧重实现逻辑，把扩展GPIO端口从0开始编号，这种编号方便编程。正如图3 WiringPi一栏。 【举例说明】 插座编号方式 11 -> BCM2835编号方式 17 -> wiringPi编号方式 GPIO0。无论如何它都是同一个IO管脚。 【代码写在哪里】 【1】直接在树莓派中编写 树莓派中有几款代码（文本）编辑软件，可以在树莓派中编写代码。 【2】在windows中编写 可以在windows中编写代码，如果是Python脚本可通过FTP软件传输到树莓派中，然后使用SSH客户端登录到树莓派中执行Python脚本。如果是C语言文件，除了使用FTP传输之外还需要在树莓派上编译才可以生成可执行文件（相当于windows上的exe文件）。相关软件操作请参考【树莓派学习笔记——常用软件汇总】 【3】在其他linux中编写 与windows中编写代码不同，在其他linux发行版（例如ubuntu）中可安装交叉工具链，交叉编译C文件生成在树莓派的可执行文件，那么使用FTP传输可执行文件至树莓派即可。其实方式【1】和方式【3】是几乎相同的。
【本例原理图】 为了说明问题本例只有一个LED，接在了树莓派IO扩展插座的11脚。


图4 原理图

2 Python GPIO实现

【安装过程】 【1】先安装python-dev，输入以下指令。sudo apt-get install python-dev 【2】安装RPi.GPIO，依次输入以下指令。特别说明，由于RPi.GPIO仍处于不断完善的过程中，请参考前言中的链接下载最新的安装代码。# 下载 
$ wget http://raspberry-gpio-python.googlecode.com/files/RPi.GPIO-0.5.3a.tar.gz# 解压缩 
$ tar xvzf RPi.GPIO-0.5.3a.tar.gz 
# 进入解压之后的目录 
$ cd RPi.GPIO-0.5.3a 
# 启动安装 
$ sudo python setup.py install
【示例代码】 新建一个名为led.py的文件，该文件具体内容如下：

[python] view plaincopy

1. # -*- coding: utf-8 -*-  
2. import RPi.GPIO as GPIO  
3. import time  
4. # BOARD编号方式，基于插座引脚编号  
5. GPIO.setmode(GPIO.BOARD)  
6. # 输出模式  
7. GPIO.setup(11, GPIO.OUT)  
8.   
9. while True:  
10.     GPIO.output(11, GPIO.HIGH)  
11.     time.sleep(1)  
12.     GPIO.output(11, GPIO.LOW)  
13.     time.sleep(1)  

【运行】 如果在windows上编写代码，请使用FTP软件下载到树莓派中，使用SSH客户端登陆树莓派，cd命令进入文件所在目录，然后输入指令
sudo python led.py
好吧，扩展板上的LED等开始闪烁了。最后使用Ctrl+C结束Python程序。 【简单说明】 【1】GPIO.setmode(GPIO.BOARD)，采用插座引脚编号方式。 【2】由于采用插座引脚编号方式，此处的11脚相当于BCM2835寄存器编号方式的引脚11。

4 WiringPi实现

【安装过程】
详见【树莓派学习笔记——wiringPi简介、安装和管脚说明】 【示例代码】 新建一个名为blink.c文件，该文件具体内容如下：

[cpp] view plaincopy

1. #include <wiringPi.h>  
2. int main(void)  
3. {  
4.   wiringPiSetup() ;  
5.   pinMode (0, OUTPUT) ;  
6.   for(;;)   
7.   {  
8.     digitalWrite(0, HIGH) ; delay (500) ;  
9.     digitalWrite(0,  LOW) ; delay (500) ;  
10.   }  
11. }  

【运行】 如果在windows上编写代码，请使用FTP软件下载到树莓派中，使用SSH客户端登陆树莓派，cd命令进入文件所在目录，然后输入gcc指令 gcc -Wall -o blink blink.c -lwiringPi 接着输入以下命令执行程序
sudo ./blink 程序顺利运行，最后使用ctrl+c可以结束程序。
【简单说明】 【1】不确定的最后状态，由于程序停止的时间未知，所有LED可能为点亮状态也可能会熄灭状态。 【2】和python的程序相比，GPIO的端口号似乎发生了变化，但是实际上为同一个IO，只是IO的编号方式略有不同。 【3】-lwiringPi表示动态加载wiringPi共享库，如果不熟悉gcc指令和makefile，请参考系列博文——【Linux学习笔记——例说makefile 索引博文】

5 BCM2835 C Library

【安装过程】 特别说明，由于BCM2835 C Library仍处于不断完善的过程中，请参考前言中的链接下载最新的安装代码。# 下载
$ wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.35.tar.gz 
# 解压缩
$ tar xvzf bcm2835-1.35.tar.gz 
# 进入压缩之后的目录
$ cd bcm2835-1.35
# 配置
./configure
# 从源代码生成安装包
make
# 执行检查
sudo make check
# 安装 bcm2835库
sudo make install
【示例代码】 新建一个名为blink.c的程序，程序的具体内容如下：

[cpp] view plaincopy

1. #include <bcm2835.h>  
2.   
3. // P1插座第11脚  
4. #define PIN RPI_GPIO_P1_11  
5.   
6. int main(int argc, char **argv)  
7. {  
8.   if (!bcm2835_init())  
9.   return 1;  
10.   
11.   // 输出方式  
12.   bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_OUTP);  
13.   
14.   while (1)  
15.   {  
16.     bcm2835_gpio_write(PIN, HIGH);  
17.     bcm2835_delay(100);  
18.       
19.     bcm2835_gpio_write(PIN, LOW);  
20.     bcm2835_delay(100);  
21.   }  
22.   bcm2835_close();  
23.   return 0;  
24. }  

【运行】 如果在windows上编写代码，请使用FTP软件下载到树莓派中，使用SSH客户端登陆树莓派，cd命令进入文件所在目录，然后输入gcc指令 gcc -o blink blink.c -lbcm2835 接着执行该程序，输入以下指令
sudo ./blink 程序顺利运行，最后使用ctrl+c可以结束程序。 【1】和wiringPi的情况相似，若关闭程序LED灯可能点亮也可能熄灭。 【2】虽然GPIO端口再次发生了变化，但还是指向那个LED灯。 【3】-lbcm2835表示动态加载bcm2835共享库，如果不熟悉gcc指令和makefile，请看看我的其他博文吧。

6 未来做些什么

实践GPIO输入功能，实践SPI功能，实践I2C功能等。最后综合以上若干内容结合web做些好玩的应用。