树莓派基础：GPIO 简介与使用

# 1. 什么是树莓派 GPIO

### 2.1 GPIO 的概念
树莓派的GPIO（General Purpose Input/Output）即通用输入/输出引脚，是一种通用的数字输入输出接口，在树莓派上用于与外部设备通信。它可以被配置为输入或输出，用于读取传感器数据、控制LED等外围设备。

### 2.2 GPIO 的作用
- 用于连接外部传感器或设备，实现数据的输入和输出。
- 可以通过控制GPIO引脚的状态，实现树莓派与外部设备的通信和控制。
- GPIO引脚同时支持数字信号和脉冲宽度调制（PWM）输出，具有很大的灵活性。

### GPIO的特点
| 特点 | 描述 |
|------------|----------------------------------------------|
| 通用性 | 可以通过编程对GPIO引脚进行配置，作为输入或输出。 |
| 灵活性 | 可以实现多种外部设备的控制和通信。 |
| 扩展性 | 通过外部模块扩展，可以连接更多类型的设备和传感器。 |
| 控制能力 | 可以通过操作系统和编程语言对GPIO进行精细的控制。 |

### GPIO工作原理
1. 配置GPIO引脚的输入输出状态。
2. 通过编程语言（如Python、C等）控制GPIO的高低电平。
3. 与外部设备连接，实现数据的输入输出和通信。
4. 可以实现各种应用场景，如控制LED灯、读取传感器数据等。

### 使用场景
1. 控制LED灯的开关状态。
2. 通过按钮触发某些操作。
3. 与各种传感器连接，采集环境数据。
4. 实现智能家居控制功能。

通过对树莓派的GPIO进行有效的配置和编程，用户可以实现各种有趣和实用的应用场景，将树莓派 GPIO 的潜力得以充分发挥。

# 2. 树莓派 GPIO 的引脚布局

### 2.1 树莓派不同型号的 GPIO 引脚布局

树莓派的不同型号在 GPIO 引脚布局上有所区别，以下是常见型号的 GPIO 引脚布局：

| 树莓派型号 | GPIO 引脚数量 | 特殊功能引脚 |
|------------|---------------|--------------|
| Raspberry Pi 1 Model A+ | 26 | - |
| Raspberry Pi 3 Model B | 40 | PWM, I2C, SPI |
| Raspberry Pi 4 Model B | 40 | UART, PCM |

### 2.2 GPIO 引脚的编号和功能

树莓派 GPIO 引脚通常有不同的编号和功能，下表列出了一些常见的 GPIO 引脚编号及其功能：

| 引脚编号 | 功能 | 物理引脚号 | 电压 |
|----------|----------------|-------------|-------|
| GPIO 2 | 5V 电源 | 4、17 | 5V |
| GPIO 3 | I2C 数据线 SDA | 5、27 | 3.3V |
| GPIO 4 | I2C 时钟线 SCL | 6、22 | 3.3V |
| GPIO 14 | UART 串口 TXD | 8、15 | 3.3V |
| GPIO 15 | UART 串口 RXD | 10、16 | 3.3V |

import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(14, GPIO.OUT)  # 设置 GPIO 14 为输出
GPIO.output(14, GPIO.HIGH)  # 将 GPIO 14 输出设置为高电平

GPIO.setup(15, GPIO.IN)  # 设置 GPIO 15 为输入
input_value = GPIO.input(15)  # 读取 GPIO 15 的输入值
print("输入值为:", input_value)

GPIO.cleanup()  # 清理 GPIO 状态

graph TD;
    A[开始] --> B(检查GPIO引脚布局);
    B --> |符合要求| C{选择引脚编号};
    C -->|GPIO 14| D[设置输出为高电平];
    C -->|GPIO 15| E[读取输入值];
    D --> F[输出高电平];
    E --> G[显示输入值];
    G --> H[结束];

在树莓派上，GPIO 引脚的布局和功能对于连接外部设备和传感器非常重要，正确理解和使用 GPIO 引脚可以实现丰富的功能。

# 3. 树莓派 GPIO 的基本操作

### 3.1 GPIO 的输入和输出
在树莓派上，GPIO既可以作为输入口接收外部传感器或按钮的信号，也可以作为输出口控制LED灯等外部设备。下面我们通过Python语言演示如何进行GPIO的基本输入和输出操作。

1. **GPIO的输入操作：**
- 通过设置GPIO引脚的模式为INPUT可以接收外部传感器的信号。
- 以下是一个简单的Python代码示例，用来读取GPIO引脚的输入状态：

   import RPi.GPIO as GPIO

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

   input_state = GPIO.input(18)
   print("GPIO 18 输入状态为：{}".format(input_state))

   GPIO.cleanup()

2. **GPIO的输出操作：**
- 通过设置GPIO引脚的模式为OUTPUT可以控制外部LED灯。
- 以下是一个简