GPIO 基础控制：从点亮一颗 LED 开始

各位同学，欢迎来到第二章。这一章我们不讲虚的，直接上手操作。你想想看，嵌入式开发里最基础、最直观的反馈是什么？就是让一个灯亮起来。今天我们就用树莓派的 GPIO，把这件事彻底搞明白。

我个人习惯，学任何新平台，第一件事就是控制 GPIO。这就像学编程先写 "Hello World" 一样，是建立信心的第一步。而且，GPIO 控制背后涉及到的寄存器操作、电平逻辑，是所有外设驱动的基础。搞懂了它，后面电机、传感器、通信协议，你都会觉得顺理成章。

RPi.GPIO 库：你的 GPIO 操作瑞士军刀

树莓派上操作 GPIO，最常用的就是 RPi.GPIO 这个 Python 库。它把底层的寄存器操作封装成了几个简单的函数。你不需要去翻 BCM2835 的数据手册，也能把引脚玩得飞起。

但注意，封装归封装，底层原理你得懂。我在项目中遇到过好几次，有人因为不理解 GPIO 的电气特性，直接把 5V 信号怼到 3.3V 的引脚上，结果就是——冒烟。嗯，所以咱们既要会用库，也要知道它在背后干了什么。

核心函数一览

RPi.GPIO 库的核心函数就那么几个，我列个表，你一眼就能看明白：

函数	作用	我的经验
setmode()	设置引脚编号模式	我习惯用 BCM，因为和芯片引脚对应，查手册方便
setup()	配置引脚方向（输入/输出）	别忘了设初始电平，否则引脚可能处于不确定状态
output()	输出高/低电平	这就是让 LED 亮灭的关键
input()	读取引脚电平	读取按键、传感器信号就靠它

setmode()：先定规矩

树莓派的 GPIO 引脚有两种编号方式：BOARD 和 BCM。

• BOARD：按物理引脚位置编号，从 1 到 40。好处是，你拿着板子数引脚就行，不用记芯片型号。
• BCM：按博通芯片的 GPIO 编号，比如 GPIO17、GPIO18。好处是，和芯片数据手册一致，写驱动时更直观。

我个人习惯用 BCM。为什么？因为我在做项目时，经常需要对照芯片手册查复用功能。用 BCM 编号，一眼就能找到对应的寄存器。当然，如果你只是搭个简单的电路，用 BOARD 也没问题。关键是——统一。别在一个脚本里混用，否则你会疯掉。

setup()：给引脚定方向

每个 GPIO 引脚，要么是输入，要么是输出。你不能让它同时干两件事。这就好比一个人，不能同时当司机和乘客。

setup(channel, direction, initial) 这个函数，就是用来干这个的。

• channel：引脚编号，根据你设定的模式来。
• direction：GPIO.OUT 或 GPIO.IN。
• initial：可选参数，设置初始电平。比如 initial=GPIO.HIGH。

这里有个坑，我必须要说。如果你把引脚设为输出，但没设初始电平，那这个引脚在程序启动时可能处于一个不确定的状态。有时候是高，有时候是低，完全看运气。所以，我建议你每次 setup() 时，都明确指定 initial 参数。养成好习惯，能省去很多排查时间。

output() 与 input()：真正的读写操作

这两个函数，就是 GPIO 的核心操作了。

• output(channel, state)：让引脚输出高电平（GPIO.HIGH）或低电平（GPIO.LOW）。
• input(channel)：读取引脚当前的电平状态，返回 GPIO.HIGH 或 GPIO.LOW。

你可能会问：高电平和低电平到底是多少伏？

树莓派的 GPIO 是 3.3V 逻辑电平。也就是说，GPIO.HIGH 对应 3.3V，GPIO.LOW 对应 0V。注意，不是 5V！如果你需要驱动 5V 的设备，必须加电平转换电路。我曾经见过有人直接把 5V 的舵机信号线接到 GPIO 上，结果树莓派的 GPIO 引脚直接烧了。嗯，血的教训。

GPIO 高低电平控制原理

说白了，GPIO 输出高低电平，就是控制引脚内部的 MOSFET 开关，让它连接到 VCC（3.3V）或者 GND（0V）。

我画了一张图，帮你理解这个过程：

当你调用 output(17, GPIO.HIGH) 时，树莓派内部的寄存器会被设置，让 GPIO17 这个引脚内部的 PMOS 导通，把引脚拉到 3.3V。电流从引脚流出，经过 LED 和限流电阻，流回 GND。LED 就亮了。

当你调用 output(17, GPIO.LOW) 时，NMOS 导通，引脚被拉到 GND。LED 两端没有电压差，自然就灭了。

实战：点亮一颗 LED

理论说完了，咱们来点实际的。下面这个例子，就是让 LED 亮 2 秒，然后灭 2 秒，循环 5 次。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置引脚编号模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 定义 LED 引脚
LED_PIN = 17

# 设置引脚为输出，初始电平为低
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW)

print("LED 开始闪烁...")

# 循环 5 次
for i in range(5):
    GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)  # 点亮
    time.sleep(2)                     # 保持 2 秒
    GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)   # 熄灭
    time.sleep(2)                     # 保持 2 秒
    print(f"第 {i+1} 次闪烁完成")

# 清理 GPIO 资源
GPIO.cleanup()
print("程序结束，GPIO 已清理")

这段代码很简单，但有几个细节我要强调：

• GPIO.cleanup()：程序结束时一定要调用。它会释放 GPIO 资源，把引脚恢复到默认状态。否则，下次运行程序时，引脚可能还是上次的状态，导致奇怪的问题。
• 限流电阻：LED 不能直接接在 GPIO 引脚和 GND 之间。必须串联一个 220Ω ~ 1kΩ 的电阻，否则电流过大，会烧坏 LED 甚至 GPIO 引脚。
• 接线：LED 的正极（长脚）接 GPIO 引脚，负极（短脚）通过电阻接 GND。别接反了。

GPIO 输入：读取按键状态

输出搞定了，咱们再看看输入。读取按键状态，是 GPIO 输入的经典应用。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

BUTTON_PIN = 18
LED_PIN = 17

# 设置按键引脚为输入，启用内部上拉电阻
GPIO.setup(BUTTON_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT, initial=GPIO.LOW)

print("按下按键，LED 会亮起")

try:
    while True:
        # 读取按键状态
        button_state = GPIO.input(BUTTON_PIN)
        
        # 按键按下时，引脚为低电平（因为上拉电阻）
        if button_state == GPIO.LOW:
            GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
            print("按键按下，LED 亮")
        else:
            GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
            
        time.sleep(0.1)  # 防抖

except KeyboardInterrupt:
    print("程序被用户中断")

finally:
    GPIO.cleanup()

这里有个关键点：上拉电阻。当按键没有按下时，GPIO 引脚处于悬空状态，电平不确定。启用内部上拉电阻后，引脚被拉到 3.3V，读取为高电平。按键按下时，引脚被拉到 GND，读取为低电平。

你可能会问：为什么不用下拉电阻？当然也可以。但树莓派内部只有上拉电阻，没有下拉。所以，用上拉是更简单的方案。

本章小结

这一章，我们搞定了 GPIO 最核心的操作：输出和输入。你学会了：

• 用 setmode() 选择引脚编号模式
• 用 setup() 配置引脚方向
• 用 output() 控制 LED 亮灭
• 用 input() 读取按键状态
• 理解了 GPIO 高低电平的硬件原理

这些知识，是后面所有驱动开发的基础。不管是电机控制，还是 UART 通信，本质上都是在操作 GPIO。只不过，通信协议把简单的电平变化，组合成了有意义的时序。

好了，拿起你的树莓派，动手试试吧。让那个小小的 LED 亮起来，你会感受到嵌入式开发的乐趣。