1. 课程导论与环境搭建：Raspberry Pi GPIO引脚功能详解、树莓派系统烧录与SSH远程登录、Python开发环境配置与GPIO库安装

各位同学好，我是你们这门课的老周。做嵌入式Linux驱动开发有些年头了，从早期的AT91到现在的i.MX、树莓派，摸过的板子不下几十种。今天咱们开始第一讲——先把家伙事儿备齐。

树莓派这东西，说白了就是一块信用卡大小的Linux电脑。但它跟普通电脑最大的区别，就是那排40个引脚的GPIO接口。你想想看，一个跑着Linux的系统，还能直接操作引脚电平、控制电机、读取传感器——这就是它最迷人的地方。

1.1 树莓派GPIO引脚功能详解

先看硬件。树莓派40pin接口，不是所有引脚都能当GPIO用。有些是电源，有些是地，有些是专用接口（I2C、SPI、UART）。我刚开始玩树莓派时，就犯过一个低级错误——把5V引脚当GPIO用，结果烧了一个传感器模块。嗯，从那以后我再也不敢不看引脚图就接线了。

下面是40pin中常用的GPIO引脚功能表（以BCM编号为准）：

物理引脚	BCM编号	功能	备注
3	GPIO2	SDA (I2C)	默认上拉
5	GPIO3	SCL (I2C)	默认上拉
7	GPIO4	GPCLK0	可输出时钟
8	GPIO14	TXD (UART)	串口发送
10	GPIO15	RXD (UART)	串口接收
11	GPIO17	普通GPIO	常用
12	GPIO18	PWM0	硬件PWM
13	GPIO27	普通GPIO	常用
15	GPIO22	普通GPIO	常用
16	GPIO23	普通GPIO	常用
18	GPIO24	普通GPIO	常用
19	GPIO10	MOSI (SPI)	SPI主出从入
21	GPIO9	MISO (SPI)	SPI主入从出
23	GPIO11	SCLK (SPI)	SPI时钟
24	GPIO8	CE0 (SPI)	片选0

这里要特别说一下编号体系。树莓派有三种引脚编号方式：物理引脚（1-40）、BCM编号（Broadcom芯片内部编号）、wiringPi编号（第三方库自定义）。我个人建议统一用BCM编号，因为所有主流库（RPi.GPIO、gpiozero、wiringPi）都支持，而且跟芯片手册对得上。

1.2 树莓派系统烧录与SSH远程登录

系统烧录这块，我推荐用Raspberry Pi Imager，官方工具，省心。以前我们烧系统都是手动dd命令，一不小心就把硬盘给写了——别问我怎么知道的。

具体步骤：

1. 下载Raspberry Pi Imager（官网就有）
2. 选择操作系统：推荐Raspberry Pi OS Lite（无桌面版，省资源）
3. 选择SD卡（建议16GB以上，Class 10速度）
4. 点击烧录前，按Ctrl+Shift+X打开高级选项
5. 启用SSH，设置用户名/密码，配置WiFi
6. 烧录完成后，把SD卡插入树莓派，上电

SSH登录很简单。找到树莓派的IP地址（可以从路由器后台看，或者用nmap扫），然后：

ssh pi@192.168.1.100
# 默认密码：raspberry（如果你没改的话）

第一次登录会提示确认主机密钥，输入yes就行。我个人习惯登录后第一件事就是改密码，然后更新系统：

sudo apt update
sudo apt upgrade -y

为什么要先更新？因为树莓派官方镜像里的软件包可能不是最新的，尤其是内核和固件。我遇到过几次因为内核太旧导致GPIO库不兼容的问题，所以这个习惯我一直保留着。

1.3 Python开发环境配置与GPIO库安装

树莓派OS默认自带Python3，但版本可能不是最新的。先确认一下：

python3 --version
# 应该看到 Python 3.7 以上

如果版本太低，可以手动安装Python 3.9或3.10。不过我个人建议用系统自带的版本，因为树莓派的很多底层库（比如libgpiod）对Python版本有依赖，乱升级容易出问题。

接下来安装GPIO库。我们这门课主要用两个库：

库名	安装命令	特点	适用场景
RPi.GPIO	sudo apt install python3-rpi.gpio	经典库，API简单	基础GPIO控制
gpiozero	sudo apt install python3-gpiozero	面向对象，支持更多外设	传感器、电机驱动
pigpio	sudo apt install pigpio python3-pigpio	支持硬件PWM、远程控制	精确时序控制

安装完成后，写个简单的测试脚本验证一下：

#!/usr/bin/env python3
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 使用BCM编号
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
# 设置GPIO17为输出
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)

print("开始闪烁LED...")
for i in range(5):
    GPIO.output(17, GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.5)
    GPIO.output(17, GPIO.LOW)
    time.sleep(0.5)

GPIO.cleanup()
print("测试完成")

如果你用的是gpiozero库，代码会更简洁：

from gpiozero import LED
from time import sleep

led = LED(17)
for i in range(5):
    led.on()
    sleep(0.5)
    led.off()
    sleep(0.5)

gpiozero的好处是不用手动调用cleanup()，对象销毁时会自动释放资源。而且它支持链式调用，比如led.blink()就能直接让LED闪烁，非常方便。

1.4 本章知识体系总览

下面这张图把本章的核心知识点串起来了。你跟着这个流程走一遍，环境搭建就不会漏步骤。

1.5 常见问题与避坑

最后，我把这些年遇到的环境搭建问题整理一下，你遇到了可以直接对照：

• SSH连不上：先ping一下IP，能通的话检查SSH服务是否开启。sudo systemctl status ssh。我遇到过最奇葩的一次是路由器开了AP隔离，设备之间不能互访。
• GPIO脚本报错：确认是否加了sudo。如果加了还报错，检查/dev/gpiomem的权限：ls -l /dev/gpiomem，应该属于root:gpio组。
• LED不亮：先测引脚电压，用万用表量GPIO17和GND之间是否有3.3V。如果有电压但LED不亮，检查电阻——LED必须串一个220Ω-1kΩ的限流电阻，否则可能烧坏引脚。
• 系统启动卡住：可能是SD卡速度太慢或者供电不足。树莓派3B+需要2.5A的电源，别用手机充电器糊弄。