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「树莓派」树莓派烧录及GPIO使用方法

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树莓派是一款迷你、经济实惠的微型计算机，广受编程和硬件爱好者欢迎。不仅因为其便捷、功能强大，更因其专有的GPIO接口，使其在各种硬件项目中变得不可或缺。本文将介绍一下树莓派系统的烧录，以及GPIO的简单使用，文章使用GPT4结合笔者个人经历及相关资料完成，如有错误欢迎指正。

1. 树莓派的系统烧录 ​

  要使用树莓派，首先需要向SD卡烧录一个操作系统。烧录是将操作系统写入到SD卡的过程，这样我们的树莓派才能正常启动。树莓派支持许多不同的系统，并且开源社区为其提供了丰富的选择（Raspberry Pi OS，Ubuntu core，Kali等），但在此我们主要介绍官方提供的Raspberry Pi OS。Raspberry Pi OS是基于Debian的操作系统，经过优化以适应树莓派的硬件，并为用户提供了友好的界面和丰富的功能。   在之前的Raspbian版本中，系统默认配置了名为“pi”的用户（密码为：raspberry）。但随着Raspberry Pi OS Bullseye的推出，官方已经取消了此默认用户设置（官方表示这是为了提升系统的安全性，参考：官方资料）。这为那些没有显示屏幕并希望开机后直接使用ssh的用户带来了一些不便，因为他们现在必须通过官方的安装器来首先配置用户。接下来，我们将介绍两种烧录系统的方法。对于没有显示屏幕的用户，建议选择第二种方法。而对于有显示屏幕的用户，两种方式均可，进入系统可以通过图形化界面配置。

方式1: Win32DiskImager ​

  1. 前往官方网站下载需要的Raspberry Pi系统镜像。 连接显示器的用户请选择“with desktop”的版本；而没有显示器的用户请选择“（legacy）”版本。（本文针对小白用户，因此暂时不会介绍没有桌面的Lite版本）image.png

    image(1).png

  2. 使用WinRAR或其他压缩软件解压。

  3. 插入SD卡，确保计算机可以识别，并且进行格式化。

  4. 打开Win32DiskImager软件，选择解压后的.img系统镜像。

  5. 在软件中选择对应的SD卡。

  6. 点击“写入”开始烧录过程。完成后，将SD卡插入树莓派。

  7. 树莓派连接显示器，通电，耐心等待一会儿后就会进入系统配置的引导，按照提示设置用户名与密码

    image(2).png

方式二：官方安装器（Raspberry Pi Imager） ​

  1. 下载并安装Raspberry Pi Imager。

  2. 启动软件，点击“选择OS”。

  3. 选择需要的操作系统版本，可以直接选择程序推荐的os。

  4. 选择“选择SD卡”，确保SD卡被选中。

  5. 这时点击右下角的齿轮，可以设置用户名与密码，也可配置无线网络WLAN（有显示器的用户可以跳过，这样会像方式一中的第7步一样，在第一次进入系统时，由系统引导进行配置）

    Raspberry Pi OS

  6. 点击“写入”。完成后，将SD卡插入树莓派，后续步骤与方式一相同。

2. GPIO介绍及控制方法 ​

  GPIO（General Purpose Input/Output）是树莓派的一大特色，用于读取和控制各种电子设备。这些引脚包含了12个电源类的接口（+5V，+3V3，GND），其余GPIO端口可以通过编程控制，从而达到控制外设的可能。

  在程序中要控制GPIO，就需要知道它在程序中是如何编号的，引脚编码有两种主流方式：BCM 和 WPI。（只要了解有不同编号方式即可，修改网络上提供的示例程序时，注意观察程序究竟使用了哪种编号方式，防止程序与实际连线不匹配）

  1. BCM (Broadcom SOC channel) ：树莓派的核心是 Broadcom 的 SOC（System On a Chip）。BCM 编码方式直接对应于这个芯片上的引脚编号。这种方式更接近硬件层面，为了硬件设计或与其他基于Broadcom芯片的系统的交互提供了便利。当你查看树莓派的官方文档或一些硬件级别的指南时，通常会看到这种编号方式。
  2. WPI (WiringPi Pin) ：WiringPi 是专为树莓派设计的 GPIO 接口库。WPI 编码方式是该库中定义的一种逻辑结构，意在为程序员提供一个更简洁、连续的引脚编号系统。这对于那些可能对具体硬件实现不太关心，但希望能够快速、简便地进行 GPIO 编程的开发者来说，是非常有用的。

  这两种编码方式的存在反映了不同的需求和焦点：BCM 更偏向于硬件和官方标准，而 WPI 则更偏向于为开发者提供方便。具体编码的表格如下图所示，使用时进行查询即可。（引用自树莓派的GPIO控制 - 知乎 (zhihu.com)）

3. GPIO编程案例 ​

  下面将提供一个树莓派控制LED灯闪烁的示例，示例比较简单，程序很通俗，但能很好的提供一个GPIO编程的初步认识。

硬件连线方式： ​

所需材料:

  1. 树莓派
  2. LED灯
  3. 220Ω 电阻
  4. 杜邦线

连线步骤:

  1. 把LED灯的长腿（阳极）连接到220Ω电阻的一端。
  2. 把电阻的另一端连接到树莓派的GPIO引脚（比如GPIO17，BCM编码）。
  3. 把LED灯的短腿（阴极）连接到树莓派的GND引脚。

Python 示例（使用 RPi.GPIO）: ​

  首先，你需要确保已经安装了 RPi.GPIO 库。如果没有，可以通过以下命令安装:

bash
pip install RPi.GPIO

  以下是控制LED灯的Python代码，代码的原理就是通过16行和20行设置对应GPIO端口的高低电平来实现控制LED亮灭：

python
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置引脚编码方式为BCM
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 定义我们连接LED的引脚
LED_PIN = 17

# 设置LED_PIN为输出模式
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)

try:
    while True:
        # LED灯亮
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
        time.sleep(1)  # 持续1秒

        # LED灯熄灭
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
        time.sleep(1)  # 持续1秒
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()  # 清除GPIO状态，释放资源

C 示例（使用 WiringPi 库）: ​

  首先，你需要确保已经安装了 WiringPi 库。可以通过以下命令安装:

bash
sudo apt-get install wiringpi

  以下是控制LED灯的C代码:

c
#include <wiringPi.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define LED_PIN 0  // 使用WiringPi引脚编号，对应于BCM的GPIO17

int main(void) {
    if (wiringPiSetup() == -1) {  // 初始化WiringPi
        printf("WiringPi setup failed!\n");
        return -1;
    }

    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);  // 设置LED_PIN为输出模式

    while (1) {
        digitalWrite(LED_PIN, HIGH);  // LED灯亮
        sleep(1);  // 持续1秒

        digitalWrite(LED_PIN, LOW);  // LED灯熄灭
        sleep(1);  // 持续1秒
    }

    return 0;
}

   为了编译和运行C代码, 使用以下命令编译及运行:

bash
gcc -o led_blink led_blink.c -lwiringPi
sudo ./led_blink

  注意，使用GPIO通常需要超级用户权限，所以使用sudo运行你的程序。

  树莓派为爱好者打开了一个崭新的世界，无论是软件开发还是硬件探索，都有着无尽的可能。希望本篇博客能帮助初学者入门，开始自己的树莓派之旅。现在网络上存在很多具体元件的编程样例，只要了解了GPIO的基础知识，通过网络搜索很快就能掌握其他硬件，编出更复杂的程序。

附录 ​

Win32DiskImager下载链接：链接

官方系统烧录软件：链接

Raspberry Pi OS下载链接：Operating system images – Raspberry Pi