Inside Raspberry Pi GPIO

by 台灣樹莓派

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深入淺出 Raspberry Pi GPIO 台灣樹莓派 Dec 08, 2013/Raspberry Pi #02

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● Element14 指定台灣地區 Raspberry Pi 獨家經銷商 ● 專注於 Raspberry Pi 應用與推廣 ● Maker Faire 2013, 2013 科學玩意節 ● 舉辦台灣第一次 Raspberry Pi 社群聚會關於台灣樹莓派

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● Raspberry Pi 好好玩 ● 用 Raspberry Pi 體驗嵌入式系統開發相關議程

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● 信用卡大小般的電腦 Raspberry Pi 是什麼 ? http://www.flickr.com/photos/fotero/7697063016/

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Raspberry Pi 怎麼玩 ?

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http://www.slideshare.net/raspberrypi-tw/introduction-toraspberrypi

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Raspberry Pi 還可以怎麼玩 ?

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Raspberry Pi 還可以怎麼玩 ? 玩他的 GPIO

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● A generic pin on an IC General Purpose Input Output(GPIO) http://raspberrypihobbyist.blogspot.tw/2012/09/so-many-inputs-so-few-gpio-pins.html

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真實的電流輸入 http://goo.gl/IzwE0K 有時間差連續的訊號負緣觸發正緣觸發原始的訊號取樣的結果兩者訊號比較取樣

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● 開啟或關閉 GPIO ● 決定是 0 激活還是 1 要激活 ● 決定是輸入還是輸出 ● 寫值到某根腳位 ● 從某根腳位讀值 ● 決定是正緣觸發還是負緣觸發 ● 等待中斷 (interrupt) 的發生那軟體做什麼 ?

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Raspberry Pi 的 GPIO http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals SPI / I2C / UART / PWM Pin1 Pin2 Pin25 Pin26

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● 深入 ● 用 C 控制 GPIO ● 淺出 ● 用 Python 控制 GPIO 深入淺出 GPIO

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● 直接修改 register 的值 ● 透過 driver 進行操作控制硬體的方法

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用 C 直接修改 register 的值？

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先來看 code 吧 https://github.com/raspberrypi-tw/tutorial/tree/master/gpio/led/c

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1. 看 datasheet 2. 查 register 3. 填對應的值三言以蔽之

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看 datasheet

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BCM2835 ARM Peripherals http://www.raspberrypi.org/wp-content/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf 共 205 頁

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查 register

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● Address 映射過程 ● virtual address physical address bus address ● Peripheral address 起始位址 ● Physical addresses: 0x20000000 - 0x20FFFFFF ● Bus address: 0x7E000000 - ● 實際位址是多少 ? 查表可得知 Address Translation (Page 6)

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Page 90 Normal Function vs. Alternate Function

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● 41 個 register, 每個 register 是 32bit ● 起始位址 : 0x7E200000 ● 表畫錯了 ● 勘誤可見重點 http://goo.gl/msNCRO

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// RPI.h #define BCM2708_PERI_BASE 0x20000000 ● #define GPIO_BASE \ ● (BCM2708_PERI_BASE + 0x200000) Address 映射結果

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填對應的值

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每一個 GPIO Function Select 會對應到一個 32-bit 的表

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範例 1 ：將某根 PIN 腳 (g=4) 設成 INPUT 註 :BCM2835 的 4 號腳位對應到實體腳位 7

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　如何做 ? 將記憶體位置依 datasheet 寫入值

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// RPI.h #define INP_GPIO(g) \ (*(gpio.addr + ((g)/10)) &= ~(7<<(((g)%10)*3))) 寫一個 macro 吧

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1. 根據 g 找到對應的 GPFSEL table 2. 根據 g 取得對應到的 FSEL 起始位置 3. 查表決定 FSEL 的 bit 值設定處理步驟

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每十個 Function Select 為一張表 (g)%10 : 取得第 1 張 GPFSEL table 1. 根據 g 找到對應的 GPFSEL table GPIO Register Assignment GPIO Alternate function select register 0

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((g)%10)*3 : 取得第 4 個 FSEL 起始位置 2. 根據 g 取得對應到的 FSEL 起始位置 GPIO Alternate function select register 0

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000 表示 INPUT ● 將 000 寫到原 register 中第 12-14 個 bit 3. 查表決定 FSEL 的 bit 值設定

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原 : xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx (32-bit) &= ~(7<<(((g)%10)*3))) Bitwise 運算 , g=4

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原 : xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx (32-bit) &= ~(7<<(((g)%10)*3))) (4%10)*3 : 找第 12 個 bit 7 << 12 : 將 111 左移 12 位 Bitwise 運算 , g=4

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原 : xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx (32-bit) &= ~(7<<(((g)%10)*3))) (4%10)*3 : 找第 12 個 bit 7 << 12 : 將 111 左移 12 位 00000000000000000111000000000000 (NOT 運算 ) Bitwise 運算 , g=4

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原 : xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx (32-bit) &= ~(7<<(((g)%10)*3))) (4%10)*3 : 找第 12 個 bit 7 << 12 : 將 111 左移 12 位 00000000000000000111000000000000 (NOT 運算 ) 11111111111111111000111111111111 ( 運算結果 ) 原 : xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Bitwise 運算 , g=4

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#define INP_GPIO(g) \ (*(gpio.addr + ((g)/10)) &= ~(7<<(((g)%10)*3))) xxxxxxxxxxxxxxxxx000xxxxxxxxxxxx 寫到 0x7E200000 將某根 PIN 腳 (g=4) 設成 INPUT

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範例 2 ：將某根 PIN 腳 (g=4) 設成 OUTPUT

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// RPI.h #define OUT_GPIO(g) \ (*(gpio.addr + ((g)/10)) |= (1<<(((g)%10)*3))) 依樣畫葫蘆

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001 表示 INPUT ● 將 001 寫到原 register 中第 12-14 個 bit 查表決定 FSEL 的 bit 值設定

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原 : xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx (32-bit) |= (1<<(((g)%10)*3))) (4%10)*3 : 找第 12 個 bit 1 << 12 : 將 001 左移 12 位原 : xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 寫 : 00000000000000000001000000000000 (OR 運算 ) 新 : xxxxxxxxxxxxxxxxxxx1xxxxxxxxxxxx ( 結果 ) Bitwise 運算 , g=4

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#define INP_GPIO(g) \ (*(gpio.addr + ((g)/10)) |= (1<<(((g)%10)*3))) xxxxxxxxxxxxxxxxxxx1xxxxxxxxxxxx 寫到 0x7E200000 將某根 PIN 腳 (g=4) 設成 OUTPUT

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範例 3 ： SET 值到某根 PIN 腳 (g=4)

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// RPI.h #define GPIO_SET (*(gpio.addr + 7)) 再看一次吧

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● 0 - 31 號 Pin 都是看 GPSET0 ● 寫入 1 表示 Set, 寫入 0 無效果查表決定 GPSETn 的 bit 值設定 Page 95

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範例 4 ： CLEAR 某根 PIN 腳 (g=4)

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// RPI.h #define GPIO_CLR (*(gpio.addr + 10)) 最後一次機會

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● 0 - 31 號 Pin 都是看 GPCLR0 ● 寫入 1 表示 Clear, 寫入 0 無效果查表決定 GPCLRn 的 bit 值設定 Page 95

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寫了這幾個 macro 然後呢 ?

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存取 register = 在記憶體位置讀寫值

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// RPI.h struct bcm2835_peripheral { unsigned long addr_p; // 指到實體記憶體位址 int mem_fd; // 開啟 /dev/mem 的 fd void *map; // memory map 的回傳 volatile unsigned int *addr; // 指到 register 的位址 }; // RPI.c struct bcm2835_peripheral gpio = {GPIO_BASE}; 先定義週邊成一個 structure

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1. 開啟記憶體裝置 2. 映射到實體記憶體空間 // RPI.c fd = open(“/dev/mem”, O_RDWR|O_SYNC); mmap(NULL, BLOCK_SIZE, PROT_READ, MAP_SHARED, mem_fd, addr_p);

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準備的差不多了寫個用 C 控制 GPIO 的 Hello World 吧

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● map 虛擬記憶體到實體記憶體 ● 初始化 PIN 為 INPUT ● 跑一個無窮迴圈 while { SET 該 PIN 為 HIGH 休息一秒 CLEAR 該 PIN 休息一秒 } 讓 LED 一明一滅的程式流程

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if (map_peripheral(&gpio) == -1) return -1; INP_GPIO(4); OUT_GPIO(4); while (1) { GPIO_SET = 1 << 4; sleep(1); GPIO_CLR = 1 << 4; sleep(1); } 實際程式

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DEMO

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透過 driver 進行操作

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那就是另外一個故事了

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用 Python 就快樂多了 https://github.com/raspberrypi-tw/tutorial/tree/master/gpio/led/python

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● 自動安裝：使用 APT 套件管理系統 $ sudo apt-get update $ sudo apt-get dist-upgrade $ sudo apt-get install python-rpi.gpio python3-rpi.gpio ● 客製化安裝：下載原始檔並安裝 $ wget http://raspberry-gpio- python.googlecode.com/files/RPi.GPIO-0.5.3a.tar.gz $ sudo apt-get install python-dev python3-dev $ sudo python setup.py install 安裝 RPi.GPIO 套件 http://code.google.com/p/raspberry-gpio-python/

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Broadcom 腳位定義 http://wiringpi.com/wp-content/uploads/2013/03/pins.pdf

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● 載入模組 (Import module) ● 選擇系統 (Define pin numbering) ● 定義腳位 (Setup up a channel) ● 讀取輸入 / 寫入輸出 (Input/Output) ● 清理 (Cleanup) Python Code http://code.google.com/p/raspberry-gpio-python/wiki/BasicUsage

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#!/usr/bin/python import RPi.GPIO as GPIO # 載入模組 import time GPIO.setmode(GPIO.BCM) # 選擇系統 LED_PIN = 4 GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT) # 定義腳位 while True: print("LED is on") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH) # 讀取輸入/寫入輸出 time.sleep(1) print("LED is off") GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW) # 讀取輸入/寫入輸出 time.sleep(1) GPIO.cleanup() # 清理 Python Code

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DEMO

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● RPi Low-level peripherals ● http://elinux.org/RPi_Low-level_peripherals ● Raspberry Pi | Wiring | Gordons Projects ● https://projects.drogon.net/raspberry-pi/wiringpi/ ● Low Level Programming of the Raspberry Pi in C ● http://www.pieter-jan.com/node/15 參考資料

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Raspberry Pi Rocks the World Thanks