GPIO(General Purpose Input/Output、汎用入出力)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

GPIO(General Purpose Input/Output、汎用入出力)とは

GPIOとはGeneral Purpose Input/Output(汎用入出力)の略称であり、マイクロコントローラやシングルボードコンピュータなどのデバイスに搭載されているピンのことを指します。GPIOピンはデジタル信号の入力や出力に使用されるインターフェースです。

GPIOピンはプログラムによって制御することができ、さまざまな用途に利用されています。例えば、LEDの点灯や消灯、スイッチやセンサーからの入力の検出、モーターの制御などに使用されます。

GPIOピンは通常3.3Vまたは5Vの電圧レベルで動作します。また、各ピンには入力モードと出力モードがあり、プログラムによって切り替えることが可能です。

GPIOピンの数や配置はデバイスによって異なります。例えば、Raspberry Piには40個のGPIOピンが搭載されていますが、Arduinoは14個のデジタルピンと6個のアナログピンを持っています。

GPIOを使用する際はピンの最大定格電流や電圧に注意する必要があります。過電流や過電圧を流すと、デバイスが破損する可能性があるためです。

GPIOピンの入力と出力

GPIOピンの入力と出力に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

GPIOピンのデジタル入力
GPIOピンのデジタル出力
GPIOピンのプルアップとプルダウン

GPIOピンのデジタル入力

GPIOピンをデジタル入力として使用する場合、ピンの状態を読み取ることができます。つまり、ピンに接続されたスイッチやセンサーなどの状態を検出できるのです。

デジタル入力ではピンの電圧レベルが閾値以上であればHIGH(1)、閾値未満であればLOW(0)と認識されます。一般的に、3.3Vシステムでは1.8V以上がHIGH、1.8V未満がLOWとなります。

GPIOピンをデジタル入力として設定するにはプログラム内でピンのモードを入力に設定する必要があります。これにより、ピンの状態を読み取ることが可能になります。

GPIOピンのデジタル出力

GPIOピンをデジタル出力として使用する場合、ピンの状態を制御することができます。つまり、LEDの点灯や消灯、モーターのオン/オフなどを行えます。

デジタル出力ではピンの電圧レベルをHIGH(1)またはLOW(0)に設定します。HIGHに設定すると、ピンは3.3Vまたは5Vの電圧を出力し、LOWに設定すると、ピンは0Vの電圧を出力します。

GPIOピンをデジタル出力として設定するにはプログラム内でピンのモードを出力に設定し、ピンの状態をHIGHまたはLOWに設定する必要があります。これにより、接続されたデバイスを制御できます。

GPIOピンのプルアップとプルダウン

GPIOピンにはプルアップ抵抗とプルダウン抵抗を内蔵しているものがあります。これらの抵抗はピンの状態を安定させるために使用されます。

プルアップ抵抗はピンを高電位(通常はVCC)に接続する抵抗のことです。これにより、ピンが何にも接続されていない場合でも、ピンの状態はHIGHに保たれます。

一方、プルダウン抵抗はピンを低電位(通常はGND)に接続する抵抗のことです。これにより、ピンが何にも接続されていない場合でも、ピンの状態はLOWに保たれます。

GPIOを使ったプログラミング

GPIOを使ったプログラミングに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

Pythonを使ったGPIOプログラミング
C言語を使ったGPIOプログラミング
GPIOライブラリの使用

Pythonを使ったGPIOプログラミング

PythonはGPIOプログラミングに適した言語の一つです。PythonにはGPIOを制御するためのライブラリが用意されており、比較的簡単にGPIOを制御するプログラムを作成できます。

PythonではRPi.GPIOやgpiozeroなどのライブラリを使用してGPIOを制御します。これらのライブラリにはピンのモード設定や、ピンの状態の読み取り・設定などの関数が用意されています。

以下はRPi.GPIOを使用してLEDを点滅させるPythonプログラムの例です。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)

while True:
GPIO.output(18, GPIO.HIGH)
time.sleep(1)
GPIO.output(18, GPIO.LOW)
time.sleep(1)

C言語を使ったGPIOプログラミング

C言語もGPIOプログラミングに適した言語の一つです。C言語ではGPIOを直接制御するためのレジスタにアクセスすることができます。

C言語でGPIOを制御するにはまずGPIOのベースアドレスを取得し、各ピンに対応するレジスタにアクセスする必要があります。レジスタへのアクセスにはメモリマップドI/Oという手法が使われます。

以下はC言語を使用してLEDを点滅させるプログラムの例です。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BCM2708_PERI_BASE 0x20000000
#define GPIO_BASE (BCM2708_PERI_BASE + 0x200000)
#define GPIO_SIZE (0xB4)

volatile unsigned *gpio;

void setup_io();

int main(int argc, char **argv)
{
int g, rep;

setup_io();

for (rep = 0; rep < 10; rep++) {
gpio[7] = 1 << 18;
sleep(1);

gpio[10] = 1 << 18;
sleep(1);
}

return 0;
}

void setup_io()
{
int mem_fd;
void *gpio_map;

if ((mem_fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC)) < 0) {
printf("can't open /dev/mem 
");
exit(-1);
}

gpio_map = mmap(NULL, GPIO_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, mem_fd, GPIO_BASE);

close(mem_fd);

if (gpio_map == MAP_FAILED) {
printf("mmap error %d
", (int)gpio_map);
exit(-1);
}

gpio = (volatile unsigned *)gpio_map;
}

GPIOライブラリの使用

GPIOを制御するためのライブラリは各言語ごとに用意されています。これらのライブラリを使用することで、GPIOの制御を簡単に行うことができます。

例えば、C言語ではWiringPiやlgpioなどのライブラリが、Pythonではgpiozeroなどのライブラリが用意されています。これらのライブラリにはピンのモード設定や、ピンの状態の読み取り・設定などの関数が用意されているため、簡単にGPIOを制御できます。

以下はWiringPiを使用してLEDを点滅させるC言語のプログラムの例です。

#include 

#define LED 18

int main(void)
{
wiringPiSetupGpio();
pinMode(LED, OUTPUT);

while (1) {
digitalWrite(LED, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(LED, LOW);
delay(1000);
}

return 0;
}