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：

# -*- coding: utf-8 -*-
import RPi.GPIO as GPIO
import time
# BOARD编号方式，基于插座引脚编号
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 输出模式
GPIO.setup(11, GPIO.OUT)

while True:
    GPIO.output(11, GPIO.HIGH)
    time.sleep(1)
    GPIO.output(11, GPIO.LOW)
    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：

#include <wiringPi.h>
int main(void)
{
  wiringPiSetup() ;
  pinMode (0, OUTPUT) ;
  for(;;) 
  {
    digitalWrite(0, HIGH) ; delay (500) ;
    digitalWrite(0,  LOW) ; delay (500) ;
  }
}

    【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：

#include <bcm2835.h>

// P1插座第11脚
#define PIN RPI_GPIO_P1_11

int main(int argc, char **argv)
{
  if (!bcm2835_init())
  return 1;

  // 输出方式
  bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_OUTP);

  while (1)
  {
    bcm2835_gpio_write(PIN, HIGH);
    bcm2835_delay(100);
    
    bcm2835_gpio_write(PIN, LOW);
    bcm2835_delay(100);
  }
  bcm2835_close();
  return 0;
}

    【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。