【物联网】基于树莓派的物联网开发【12】——树莓派硬件GPIO模块原理知识
场景介绍
了解GPIO模块基础知识。
GPIO是什么
GPIO（General Purpose Input/Output）是通用输入输出引脚的缩写，是嵌入式系统中非常重要的基本硬件资源之一。GPIO是一种非常灵活的接口，可以实现数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出等多种功能。
在嵌入式系统中，GPIO通常在芯片引脚和外部电路之间起到了一个桥梁的作用。通过GPIO，我们可以将内部的信号或数据与外部的设备或传感器进行连接和交互。例如，可以通过GPIO读取按键的状态、控制LED的亮灭，或者连接各种传感器读取温度、湿度、光强等物理量。
因为GPIO非常通用，所以几乎所有的微控制器都具有GPIO功能。在开发嵌入式系统时，我们通常会使用GPIO来实现各种基本的输入输出功能，因此对GPIO的掌握是非常必要的。
在实际应用中，GPIO的使用非常灵活，并且需要根据具体的场景和需求进行配置和操作。掌握GPIO的基本概念、寄存器结构和操作方法，是开发嵌入式系统的重要基础之一。
GPIO I/O段位口的基本结构
如图所示，是GPIO位结构的基本电路图。整体分为两个部分，红线上方为输入部分，下方为输出部分。
GPIO应用场景
1、控制LED灯：GPIO可以用来控制LED灯的亮灭状态，通过设置GPIO引脚为输出模式，并控制引脚的电平状态，实现LED灯的开关和闪烁效果。
2、按键输入：GPIO可以作为输入接口，用于读取外部按键的状态。通过配置GPIO引脚为输入模式，并读取引脚的电平状态，可以实现按键的检测和触发相应的操作。
3、传感器接口：许多传感器（如温度传感器、湿度传感器等）可以通过GPIO与嵌入式系统进行通信。例如，通过I2C或SPI协议将传感器连接到特定的GPIO引脚，从而读取传感器提供的数据。
4、驱动电机：GPIO可以用作控制电机的引脚，通过控制引脚的电平状态和时序，实现电机的正转、反转、速度控制等功能。
5、触摸屏输入：某些嵌入式设备使用触摸屏作为主要的输入方式。GPIO可以用于读取触摸屏的输入信号，通过配置GPIO引脚为输入模式，并使用相应的驱动程序，实现触摸屏的触摸检测和坐标获取。
6、外部设备控制：除了上述应用场景，GPIO还可以用于与其他外部设备进行通信和控制。例如，与LCD显示屏、蜂鸣器、继电器等设备进行连接，通过GPIO控制这些设备的工作状态。
GPIO工作模式（8种）
1、浮空输入
上图红线为浮空模式时数据输入走向，上拉电阻和下拉电阻是断开的，电平不确定，完全由外部输入决定，一般接按键的时候可以使用这个模式。
2、上拉电阻/下拉电阻
开关2断开时为上拉电阻；开关1断开时为下拉电阻。当输入引脚什么都不接时，引脚输入处于一种浮空的状态，引脚的输入电平极易受外界的干扰而改变，上拉/下拉电阻能防止此问题的发生。
3、模拟收入
模拟输入时，没有上拉/下拉电阻，也不经过施密特触发器，此时读取的是外部的模拟信号。
4、开漏输出
开漏模式下，P-MOS管是不用的。当输出数据寄存器为1时，下管断开，此时输出相当于断开，也就是高阻模式；当输出数据寄存器为0时，下管导通，输出接到VSS，也就是输出低电平，这种模式下，只有低电平有驱动能力，高电平没有驱动能力；此模式可以作为通信协议的驱动方式。
5、推挽输出
推挽模式下，P-MOS和N-MOS管均有效，当输出数据寄存器为1时，P-MOS管导通，N-MOS管断开，输出高电平；当输出数据寄存器为0时，N-MOS管导通，P-MOS管断开，输出低电平
6、复用开漏/推挽输出
复用开漏/推挽输出和开漏/推挽输出是类似的，不同的就是，引脚的控制权转移到了片上外设。