波仔
🍓 第七章 GPIO 硬件接口
📄 一句话概括

前面六章你都在跟软件打交道；从这一节起，你开始跟电打交道。 板子边上那排 40 根针（GPIO）就是树莓派伸向外界的"手"——本节要把这排针看清楚：哪些是电源、哪些是地、哪些能自己控制，以及"第 11 针"到底该怎么说。

📝 本节和前面几节的关系

1-3 讲硬件规格时，只把 GPIO 作为"八类零件之一"点了一句（三类针 ＋ 3.3V 铁律）；本节把它摊开来讲透，因为后面五节全都在跟它打交道。 6-5 你学会了装库、6-6 你学会了处理列表；本节起，Python 的每一行代码都会直接变成一根针上的电压——这是本课最激动人心也最容易烧东西的地方。 还要用上 2-4 的 raspi-config：I2C、SPI、串口这些"复用功能"要先在那里打开，否则接上去也不认。

一、GPIO 是什么：能自己控制的一排针

GPIO = General Purpose Input/Output，通用输入输出。

拆开读就懂了：

"电平"就是电压高低。在这台机器上：

叫法 电压 意思
高电平 / HIGH / 1 3.3V "通电了"
低电平 / LOW / 0 0V "没电"

所以一根 GPIO 能表达的，只有"两种情况"。想让 LED 亮或灭、按钮按了或没按——够用。但想表达"亮度 37%"这种连续的量，一根针就做不到（那是 7-4 要讲的难题）。

💡 为什么叫"通用"，而不是像 Arduino 那样叫"D2、D3"

因为树莓派的这排针能换身份：同一个物理位置，既可以是普通 GPIO，也可以变成 I2C 的数据线、SPI 的时钟线（见第四节）。 代价是"编号"这件事变得很绕——这是本节最需要认真看的部分。

二、40 针全景：先把三类针分清

树莓派从 2014 年的 B+ 起就是 40 针，一直没变过（Pi 3／4／5 的排针位置与编号完全一致）。

40 根针里，只有 28 根是 GPIO，剩下 12 根是"供电和接地"：

类别 数量 作用 能不能写代码控制
3.3V 电源针 2 根 给外接模块供电 ❌ 不能（永远输出 3.3V）
5V 电源针 2 根 给外接模块供电 ❌ 不能（永远输出 5V）
GND 接地针 8 根 电流的回路终点 ❌ 不能（永远是 0V）
GPIO 针 28 根 可编程的输入/输出 ✅ 能

GND 有 8 根、而且分散在整排各处，这是故意的：方便你接线时就近找地，不用把线拉很远。

2.1 怎么找到"针 1"（不然整排都会数错）

排针是两列：从上看下去，靠近板子外边缘的一列是奇数针（1、3、5…39），靠里那一列是偶数针（2、4、6…40）。

"针 1"有两个特征，配合着认：

  1. 它在靠近 SD 卡那一头（不是靠近 USB 那一头）；
  2. 它的焊盘是方的（其余 39 个都是圆的）——这是最可靠的判据，翻过来看板子背面最清楚。
⚠️ 数错针 = 接错电 = 可能烧板子

"-"这个坑没有第二次机会。接线前暂停三秒，把针 1 认准了再动。习惯做法：先插一根线在针 1 上做标记，或者用 pinout 命令把图调出来对着看（见动手 Demo）。

三、⚠️ 本节最大的坑：引脚编号有三套

同一个物理位置，可以有三个名字。这是新手接错线、代码不生效的头号原因。

以"靠板边第 6 根针"为例（从上往下数第 6 个奇数针，即物理针 11）：

编号体系 这个名字叫 谁会这么叫
物理针号（BOARD） 11 教程里的接线图、卖家商品页
BCM（也叫 GPIO 号） 17 几乎所有 Python 代码
WiringPi 0 老的 shell／C 教程（这套已经废弃）

三套编号里，只有 BCM 是"代码要用的"。所以你看接线图时永远要做一次翻译：板子上的第几根针 → BCM 号是多少。

⚠️ 本章所有实验统一用 BCM 编号

为了让接线图和代码对得上，本章所有实验的接线表都会写成 BCM 17（物理针 11）这种"两个都写"的形式。 你自己看别的教程时，先确认它用的是哪一套——如果它写"接着 11 号针"又说代码里是 17，那就是 BOARD 和 BCM 混着用，两个说的其实是同一个位置。

3.1 本章用到的几根针（先记这一张就够）

BCM 物理针 本章用来做什么
17 11 7-3 的 LED（数字输出）
27 13 7-3 的按钮（数字输入）
18 12 7-4 的 PWM 调光（正好是硬件 PWM 通道之一）
8 / 9 / 10 / 11 24 / 21 / 19 / 23 7-5 的 MCP3008（SPI 四根线）

另外记住两根"别碰"的针：BCM 0 和 BCM 1（物理针 27、28）。

它们是给 HAT 扩展板做身份识别用的（板上存着"我是什么板子"的小芯片，系统开机时会去读）。你把它当普通 GPIO 用，可能会和系统抢线。所有型号都一样，不是 Pi 5 独有的规矩。

3.2 怎么查：pinout 命令

树莓派预装了 gpiozero（7-2 要讲），它带一个特别好用的命令：

pinout

它会用彩色画出整排 40 针，每个位置都标着 BCM 号、物理针号、以及这个位置的复用功能（I2C／SPI／GND…）。这是你手头最好用的一张"接线图"，比网上的图靠谱（因为它认得你这台机器到底是哪个型号）。

四、这些针还能"变身"：复用功能

同一根针，除了当普通 GPIO，还能切换成某条总线上的一根信号线。本章会遇到两条：

总线 用哪几根针（BCM） 用它接什么
I2C 2（SDA）、3（SCL） 传感器、小屏幕、7-6 的 Sense HAT
SPI 11（SCLK）、10（MOSI）、9（MISO）、8（CE0） 7-5 的 MCP3008（ADC 芯片）、显示屏
UART（串口） 14（TXD）、15（RXD） 串口模块、和别的单片机通信

"总线"的意思可以这么理解：不是一根线传一位，而是几根线配一套规矩，把一整包数据可靠地送过去（I2C 用两根线管一串设备，SPI 用四根线跑得更快）。

⚠️ 用复用功能前，必须先在系统里"打开"

本节只讲针，不讲开开关——但记住这件事：接 I2C 或 SPI 之前，要去 sudo raspi-config → Interface Options 里把对应接口打开（2-4 讲过这个菜单，那里说过"别全开"，就是这个道理），打开后要重启。 忘了这一步的典型症状：接好了、代码也抄对了，但 i2cdetect 一个设备都扫不到。

五、两条必须记住的红线

5.1 3.3V 铁律（1-3 已讲，这里再钉一遍）

这排针的逻辑电平是 3.3V，"高电平"就是 3.3V——不是 5V。

接任何外部模块前，第一句要问的是：它是 3.3V 逻辑还是 5V 逻辑？很多模块两种都有版本，买 3.3V 的那个（1-4 讲配件时提过这条）。

5.2 电流红线：它只能"发信号"，不能"干重活"

一根 GPIO 针能输出的电流只有几毫安（mA）级——够点亮一颗小 LED，远远不够驱动电机、继电器、大功率灯带、电磁阀。

想接的东西 能直接接 GPIO 吗 正确做法
一颗普通 LED ✅ 但必须串限流电阻 串 220Ω~1kΩ 电阻（7-3 会算）
蜂鸣器（有源小蜂鸣器） ⚠️ 勉强，最好串电阻 串个电阻更安全
电机 / 舵机 / 继电器 ❌ 绝对不行 用三极管或专用驱动板，电源另接
LED 灯带 / 大功率灯 ❌ 绝对不行 用 MOS 管驱动 ＋ 单独的电源
🚨 为什么"直接接"会出事

电机这类负载要的电流是 GPIO 上限的几十上百倍。GPIO 针内部就是一小段极细的硅通路——你要走大电流，它会先发热、再烧断。 而且电机停机瞬间会产生反向电压尖峰，这股电压会倒着打回 GPIO 针上。这就是"必须用驱动电路"的双重理由：电流不够 ＋ 会反噬。

六、动手 Demo：把你自己这台机器的 40 针画出来

这一步不需要接任何线，纯看。建议每个命令都跑一遍——你现在看到的就是后面五节的"地图"。

第 1 步 · 让 pinout 画出整排针

pinout

你会看到什么：一张彩色的排针图。中间两列写着每个位置的 BCM 号和物理针号，图上还标出 3V3、5V、GND，以及 SDA、SCL、MOSI、MISO、SCLK 这些复用名字；下方还印着你这块板子的型号、内存、当前温度。

第 2 步 · 用命令确认板子型号（和 pinout 下方那行对一对）

cat /proc/device-tree/model; echo

你会看到什么：类似 Raspberry Pi 5 Model B Rev 1.0（型号随你的板子而变）。末尾那个 echo 是为了换行——这个文件本身不带换行符，不补的话你的提示符会挤在同一行。

第 3 步 · 看看内核眼里有几个 GPIO 控制器

gpiodetect

你会看到什么：一行行形如 gpiochip0 [pinctrl-rp1] (54 lines)。

读结果：能看见 pinctrl-rp1（Pi 5）或 pinctrl-bcm2711（Pi 4）的那个 gpiochip，就是管这排排针的。

💡 关于 `gpiochip0` 还是 `gpiochip4`

你可能看到某些老教程写"Pi 5 的排针在 gpiochip4"。那是 2024 年秋天之前的老镜像才有的情况——新系统的内核更新后，Pi 5 的排针已经和其他型号一样归在 gpiochip0。 所以：以 gpiodetect 实际输出为准，别背数字。（/dev/gpiochip4 这个老路径在新系统里仍做了个指向 gpiochip0 的软链接，就是为了让老代码还能跑。）

第 4 步 · 数一数三类针

pinout | grep -o "GND" | wc -l

你会看到什么：8。

读结果：8 个 GND，和第二节那张表对上了。你可以把 GND 换成 3V3、5V 各数一遍（分别得到 2 和 2）。这是让你亲手验证"表上的数字不是抄来的"。

第 5 步 · 认一下"针 1"在哪

断电，把板子翻过来看排针那一面：找那个方形焊盘（其余都是圆形）。它对应的就是针 1。

如果不想断电：pinout 图的最下面一行会告诉你针 1 靠近哪一端（"靠近 SD 卡"）。用眼睛确认一次，比记十遍都牢。

⚠️ 这一步之后、下一节动手接线之前，请守住两条习惯
  1. 接线时一定断电（拔掉电源线），接完检查一遍再上电；
  2. 上电前用眼睛把线从针脚一路"走"到底，确认没有一根搭错或跨到相邻针上（面包板相邻孔很容易虚搭）。

七、30 秒实验：把编号三套"翻"成一张便条

拿张纸（或新建一个 pins.md），把下面这张表抄一遍——抄的过程就是记住的过程：

我接的物理针 BCM 号（代码要写这个） 这根针还能干什么
11 17 普通 GPIO
12 18 硬件 PWM
13 27 普通 GPIO
3、5 2、3 I2C（SDA、SCL）
19、21、23、24 10、9、11、8 SPI（MOSI、MISO、SCLK、CE0）

然后回答一个问题：如果你照着某篇教程把 LED 接在"物理针 12"，代码里应该写几？

答案：18。物理针 12 = BCM 18。（写 12 是错的——代码里写 12 指的是 BCM 12，那是物理针 32，位置差了十万八千里。）

八、常见误区

  1. "GPIO 针能输出 5V" —— 不能。高电平就是 3.3V。5V 只从那两根专用的 5V 电源针出来，而那两根不受代码控制。
  2. "40 根针都能编程" —— 只有 28 根是 GPIO。2 根 3.3V、2 根 5V、8 根 GND，它们只是电源。
  3. "代码里写 11 就是第 11 根针" —— 代码默认按 BCM 解释，11 指的是物理针 23。接的针和写的号必须已经翻译过一次。
  4. "针 1 是最靠边的那根，随便数就行" —— 两列并排，数错方向是常事。认方焊盘，或先跑 pinout 看图。
  5. "LED 直接接针和地就能亮，不用电阻" —— 会亮，但可能在烧掉。LED 内阻极小，GPIO 会被它拉走超过上限的电流。永远串一个 220Ω~1kΩ。
  6. "我接的是 3.3V 逻辑的模块，肯定安全" —— 还要看它自己是不是会往外送 5V（有些模块用 5V 供电时，它的信号线也是 5V 电平）。买之前看清逻辑电平这一项。
  7. "BCM 0 和 1 也是普通针，空着可惜" —— 它们是 HAT 身份识别专用，别动。
自测三问（点开对答案） 1. 你想把一个按钮接在物理针 13 上，代码里该写几？为什么？ 2. 为什么 GND 针要有 8 根，而不是 1 根？ 3. 有人告诉你"树莓派的 GPIO 可以直接驱动一个 5V 小继电器模块"，你怎么判断这句话对不对？ **参考答案** 1. **BCM 27**。因为**物理针 13 对应的 BCM 号是 27**；而 Python 代码默认按 BCM 解释，写 `13` 会指到 BCM 13（物理针 33）——**接的和写的不一致，现象是"程序跑起来了，但那个按钮按了没反应"**。 2. **接线方便，还为了分散电流**。外接模块多了以后，如果所有地都挤在一根针上，那根针要承受全部回流电流，更容易过热；而且线会拉得很长、很乱。**分散 8 根是树莓派官方设计上的贴心之处。** 3. **不对**。理由有两条：① **GPIO 输出的高电平只有 3.3V**，很多 5V 继电器模块的触发端认不出 3.3V（表现为"时灵时不灵"或完全不动作）；② **继电器线圈的电流和反向尖峰都超出 GPIO 的承受范围**，正确做法是用三极管／MOS 管驱动、继电器电源单独供。**"能买到便宜的继电器模块"不等于"能直接接在 GPIO 上"。**

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