【树莓派学习】七、树莓派GPIO基础操作

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一、主流GPIO库介绍

【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”。

二、管脚对应

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。正如上图的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。正如上图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。正如上图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。

三、实际操练

这里就通过操作GPIO库，来操作插座(物理针脚)的11脚吧。

1、Python GPIO实现

【安装配置】

【1】输入以下指令，安装python-dev

sudo apt-get install python-dev

【2】依次输入以下指令，安装RPi.GPIO。特别说明，由于RPi.GPIO仍处于不断完善的过程中，请参考<这里>下载最新的安装代码。（或者到本文开头的网盘链接~）

【3】通过FTP软件，传输到树莓派，输入以下指令进行解压

tar -zxvf RPi.GPIO-0.7.0.tar.gz

【4】进入解压后的目录

cd RPi.GPIO-0.7.0/

【5】启动安装

sudo python setup.py install

【示例代码】

windows新建名为test.py的文件，并写入以下代码，通过FTP软件传输到树莓派

# -*- 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)

【运行代码】

在树莓派终端输入以下指令，运行程序。

sudo python test.py

通过万用表可明显观测到11脚的高低跳变。

以下基于BCM编号模式的，对应GPIO17

# -*- 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.BCM)
# 输出模式
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)
 
while True:
    GPIO.output(17, GPIO.HIGH)
    time.sleep(1)
    GPIO.output(17, GPIO.LOW)
    time.sleep(1)

2、WiringPi实现

WiringPi是应用于树莓派平台的GPIO控制库函数，WiringPi遵守GUN Lv3。wiringPi使用C或者C++开发并且可以被其他语言包转，例如python、ruby或者PHP等。WiringPi中的函数类似于Arduino的wiring系统，这使得熟悉arduino的用户使用wringPi更为方便。

树莓派具有26个普通输入和输出引脚。在这26个引脚中具有8个普通输入和输出管脚，这8个引脚既可以作为输入管脚也可以作为输出管脚。除此之外，树莓派还有一个2线形式的I2C、一个4线形式的SPI和一个UART接口。树莓派上的I2C和SPI接口也可以作为普通端口使用。如果串口控制台被关闭便可以使用树莓派上的UART功能。如果不使用I2C，SPI和UART等复用接口，那么树莓派总共具有8+2+5+2 =17个普通IO。wiringPi包括一套gpio控制命令，使用gpio命令可以控制树莓派GPIO管脚。用户可以利用gpio命令通过shell脚本控制或查询GPIO管脚。wiringPi是可以扩展的，可以利用wiringPi的内部模块扩展模拟量输入芯片，可以使用MCP23x17/MCP23x08（I2C 或者SPI）扩展GPIO接口。另外可通过树莓派上的串口和Atmega（例如arduino等）扩展更多的GPIO功能。另外，用户可以自己编写扩展模块并把自定义的扩展模块集成到wiringPi中。WiringPi支持模拟量的读取和设置功能，不过在树莓派上并没有模拟量设备。但是使用WiringPi中的软件模块却可以轻松地应用AD或DA芯片。

参考：http://www.52pi.net/archives/1918

【安装配置】

依次输入一下命令

mkdir WiringPI
cd WiringPI
wget https://project-downloads.drogon.net/wiringpi-latest.deb
sudo dpkg -i wiringpi-latest.deb

然后使用gpio -v，查看版本信息。

然后再执行：gpio readall

还以物理针脚11为例，对应的wPi为GPIO0

【示例代码】

#include <stdio.h>
#include <wiringPi.h>

int main(void)
{
	int LED = 0;
	wiringPiSetup();
	pinMode(LED, OUTPUT);
	printf("LED is blinking...\r\n");
	while(1)
	{
		printf("LED:%d is on \r\n", LED);
		digitalWrite(LED, HIGH);delay(500);
		printf("LED:%d is off \r\n", LED);
		digitalWrite(LED, LOW);delay(500);
	}
	
	return 0;
}

【运行代码】

通过FTP软件，将test.c上传到树莓派，输入以下命令进行编译并生成可执行文件test

gcc -o test test.c -lwiringPi

然后输入./test，执行可执行文件

需要一提的是：-lwiringPi参数表示动态加载wiringPi共享库

3、BCM2835 C Library

由于BCM2835 C Library仍处于不断完善的过程中，可参考<这里>下载最新的安装代码。

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注意了，这个库是针对BCM2835处理器的，树莓派4是用的BCM2711，下面的程序仅供参考。

【安装配置】

依次输入一下命令

wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.35.tar.gz 
tar xvzf bcm2835-1.35.tar.gz 
cd bcm2835-1.35
./configure
make
sudo make check
sudo make install

【示例代码】

在windows上编写下列代码，

#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(500);
    
    bcm2835_gpio_write(PIN, LOW);
    bcm2835_delay(500);
  }
  bcm2835_close();
  return 0;
}

【运行代码】

使用FTP软件下载到树莓派中，cd命令进入文件所在目录，然后依次输入下面指令

gcc -o test2 test2.c -lbcm2835
sudo ./test2