第11章 GPIO的触手
树莓派可以通过很多接口来连接到其他设备。在各种各样的接口中，最有特色的就是一组GPIO（General Purpose Input/Output）接口。这组GPIO接口大大拓展了树莓派的能力。GPIO不仅能实现通信，还能直接控制电子元器件，从而让用户体验到硬件编程的乐趣。
11.1 GPIO简介
树莓派3上的GPIO接口由40个针脚（PIN）组成，如图11-1所示。
图11-1 树莓派3的GPIO针脚
每个针脚都可以用导线和外部设备相连。你可以通过焊接的方式把导线固定在PIN上，也可以用母型的跳线套接在PIN上。在40个PIN中，有固定输出的5V（2、4号PIN）、3.3V（1、17号PIN）和地线（Ground,6、9、14、20、25、30、34、39）。如果一个电路两端接在5V和地线之间，那么该电路就会获得5V的电压输入。27和28号PIN标着ID_SD和ID_SC。它们是两个特殊的PIN，用于和附加的电路板通信。其他的PIN大多编成GPIOX的编号，如GPIO14。树莓派的操作系统会用GPIO的编号14来指代这个PIN，而不是位置编号的8。
有一些PIN不仅有GPIO功能，还能充当其他形式的端口。比如，GPIO14和GPIO15除了作为GPIO接口，还可以充当UART端口。此外，GPIO上还能找到I2C和SPI接口。
计算机中用高、低两个电压来表示二进制的1和0。树莓派上的GPIO用相同的方式来表示数据。每个GPIO的PIN都能处于输入或输出状态。当处于输出状态时，系统可以把1或0传给该PIN。如果是1，那么对应的物理PIN向外输出3.3V的高电压，否则输出0V的低电压。相应的，处于输入状态的PIN可以探测物理PIN上的电压。如果是高电压，那么该PIN将向系统返回1，否则返回0。利用简单的二元机制树莓派实现了和物理电路的互动。
11.2 控制LED灯
我们先来看GPIO输出的一个例子。在GPIO21和地线之间接一个串联电路，电路上有一个LED灯，还有一个用于防止短路的330Ω电阻。当GPIO21位于高电平时，将有电流通过电路点亮LED灯，如图11-2所示。
图11-2 GPIO与LED灯连接
我们通过Shell来控制GPIO21。在Linux中，外部设备经常被表示成文件。向文件写入或读取字符，就相当于向设备输出或者从设备输入字符。树莓派上的GPIO端口也是如此，其代表文件位于/sys/class/gpio/下。
首先，激活GPIO21：
$echo 21 > /sys/class/gpio/export
这个命令把字符“21”输入/sys/class/gpio/export中。命令执行后，/sys/class/gpio/下面增加了代表GPIO21的一个目录，目录名就是gpio21。
其次，把GPIO21置于输出状态：
$echo out > /sys/class/gpio/gpio21/direction
文件/sys/class/gpio/gpio21/direction用于控制GPIO21的方向，向里面写入了代表输出的字符“out”。
最后，向GPIO21写入1，从而让PIN处于高电压：
$echo 1 > /sys/class/gpio/gpio21/value
可以看到，LED灯亮了起来。
如果想关掉LED灯，那么只需要向GPIO21写入0：
$echo 0 > /sys/class/gpio/gpio21/value
使用完GPIO21可以删除该端口：
$echo 21 > /sys/class/gpio/unexport
/sys/class/gpio/gpio21随即消失。
11.3 两个树莓派之间的GPIO
我们可以用GPIO的方式连接两个树莓派，如图11-3所示。一个树莓派的GPIO输出将成为另一个树莓派的GPIO输入。连接方式很简单，只需要两根导线。一根导线连接两个树莓派的地线，另一根导线连接树莓派的两个PIN。
图11-3 两个树莓派之间用GPIO连接
用左侧的树莓派来输出，用右侧树莓派来输入。输出过程和上面控制LED灯的例子相似。第一个树莓派中的GPIO21准备输出：
$echo 21 > /sys/class/gpio/export
$echo out > /sys/class/gpio/gpio21/direction
在第二个树莓派中，准备好读取GPIO26：
$echo 26 > /sys/class/gpio/export
$echo in > /sys/class/gpio/gpio26/direction
当我们向/sys/class/gpio/gpio26中写入“in”时，就是把GPIO26置于输入状态。
此后，在第一个树莓派中就可以更改输出值为1或0了：
$echo 1 > /sys/class/gpio/gpio21/value
$echo 0 > /sys/class/gpio/gpio21/value
在第二个树莓派中，可以用cat命令来读取文件，获得输入值：
$cat /sys/class/gpio/gpio26/value
cat命令读完一次后会返回，为了持续读取，可以用bash中的while循环来反复调用cat：
$while true; do cat /sys/class/gpio/gpio26/value; done
这里的while是bash提供的循环结构，随后do和done之间的内容会重复执行。第二个树莓派将循环查看GPIO26的输入值。当第一个树莓派中的输出改变时，第二个树莓派获得的输入也随之改变。我们在两个树莓派之间实现了简单的通信。
最后，在使用完GPIO后，别忘了删除端口。
11.4 UART编程
计算机的数据是许多位的0和1构成的序列。尽管GPIO可以在0和1之间切换，但无法传输二进制序列。比如，把一个二进制序列11000111输出到GPIO端口，在输入端看来，只是输入了一段时间的1，然后变成0，最后又变成1。输入端无法准确说出，一段高电平输入究竟包含了几位1。
一个解决方案是用多个PIN同时通信，每个PIN表示一位。当输入端读取完成后，通知输出端，让输出端送来下一批的数据。这种通信方式被称为并口传输。和并口传输对应的是串口传输，传输时依然是用一个PIN，但输入方可以知道一位数据持续了多长时间。GPIO上的UART、I2C、SPI都是串口通信。
UART与其余两者的区别在于，通信双方通过事先约定的速率来发送或接收数据。这种通信方式称为异步通信。I2C和SPI这类同步通信方式会用额外的连线来保证双方速率相同。UART的连线和实现方式很简单，因而成为最流行的串口通信方式。但UART的缺点在于，如果发送方和接收方的速率不同，那么通信就会发生错误。通信速率称为波特率（Baudrate），单位是每秒通信的位数（bps）。
UART的端口至少有RX、TX和地线三个针脚。RX负责读取，TX负责输出。如果有两个UART端口，它们的连接方式如图11-4所示。
图11-4 UART连接
在树莓派3上，TX和RX就是GPIO14和GPIO15针脚。因此，我们可以把两个树莓派按照图11-4的方式连接起来，然后在两个树莓派之间实现UART通信。
在这里，我们要注意树莓派3发生了一点变化。树莓派1和2中都使用了标准的UART，在操作系统中的对应文件是/dev/ttyAMA0。在树莓派3中，新增的蓝牙模块占用了标准U A RT端口和树莓派沟通，外部的UART通信采用了简单的Mini UART，在操作系统中的对应文件是/dev/ttyS0。由于mini UART的波特率依赖于CPU时钟频率，而CPU时钟频率可能在运行过程中浮动，因此mini UART经常会带来意想不到的错误。一般有两种解决方案：一种是关闭蓝牙模块，让外部连接重新使用标准UART端口；另一种是固定CPU时钟频率，以便mini UART能以准确的波特率进行通信。
关闭蓝牙模块，需要修改/boot/config.txt。将dtoverlay键的值改为：
dtoverlay=pi3-disable-bt
修改后重启。此后的U A RT通信，就可以通过/dev/ttyAMA0进行。
如果采取第二种解决方案，那么要修改/boot/config.txt，把上面的修改变成：
core_freq=250
dtoverlay=pi3-miniuart-bt
修改后重启。此后的U A RT通信就可以通过/dev/ttyS0进行了。
我们以第一种解决方案为例，进行UART通信。首先，设定波特率：
$stty -F /dev/ttyAMA09600
然后，向UART端口输出文本：
$echo "hello" > /dev/ttyAMA0
在UART的另一端读取文本：
$cat /dev/ttyAMA0
可以看到，UART可以实现更加复杂的文本通信。如果使用第二种解决方案，即限定核心频率的办法，那么只需把/dev/ttyAMA0改为/dev/ttyS0即可。
11.5 用UART连接PC
一般的PC都没有暴露在外的UART针脚。为了通过UART来连接PC和树莓派，我们需要一个USB和UART的转换器。这个转换器的一端是USB接口，另一端是UART的针脚。我们把USB一端插入PC，另一端按照UART到UART的方式，连接到树莓派的UART针脚。
连接好之后，就可以在PC上利用串口操作软件来和树莓派通信了。在Linux下，USB连接表示为/dev/ttyUSB0。当然，当计算机上只有1个USB设备时，最后的编号才会是0。而在笔者的Mac OS X上，该USB连接被表示成/dev/cu.SLAB_USBtoUART。此后，就可以通过操作USB文件来进行UART通信了。
11.6 用UART登录树莓派
我们还可以用UART的方式连接并登录树莓派。进入树莓派设置：
$sudo raspi-config
在Interfacing Options→Serial中，允许开机时通过串口登录。
重启后，树莓派启动时会自动把开机信息以115200的波特率推到UART端口。在UART另一端的PC上，如果使用Mac OS X，那么可以用下面的命令连接：
$screen /dev/cu.SLAB_USBtoUART 115200
如果PC是Linux系统，则只需把USB设备文件改为对应的设备文件即可。如果是Windows系统，则可以使用Putty通过串口连接树莓派。首先在Windows的设备管理器中找到该USB设备。假如USB设备被识别为COM3，那么在Putty的设置页面中，把连接类型（Connection Type）设置成串口（Serial），然后在串口线路（Serial Line）中输入USB设备的名称，例如COM3。速度（Speed）选择115200。设置好后单击“打开（Open）”按钮即可连接。