GPIO¶

GPIOとは¶

GPIO（General Purpose Input Output）は、マイコンのピンを入力や出力として自由に利用できる機能である。

STM32やRaspberry Piなどのマイコンには多数のGPIOピンが搭載されている。

例えばSTM32では

PA0
PA1
PA2

PB0
PB1
PB2

などのピンがGPIOとして利用できる。

GPIOでできること¶

GPIOを利用すると様々な機器と接続できる。

入力¶

ボタン
DIPスイッチ
リミットスイッチ
センサ出力

出力¶

LED
リレー
MOSFET
ブザー

InputとOutput¶

GPIOには大きく分けて2つのモードがある。

モード	説明
Input	入力
Output	出力

Inputモード¶

外部からの信号を読み取る。

例

ボタン
 ↓
GPIO
 ↓
STM32

状態を読むと

押されていない → 0

押された → 1

のように判定できる。

Outputモード¶

GPIOから信号を出力する。

例

STM32
 ↓
GPIO
 ↓
LED

状態

0 → 消灯

1 → 点灯

HighとLow¶

GPIOは基本的に2つの状態しか持たない。

High¶

3.3V

または

5V

Low¶

0V

STM32の場合は通常

High = 3.3V

Low = 0V

となる。

GPIO入力例¶

回路

3.3V
 │
SW
 │
GPIO
 │
10kΩ
 │
GND

状態

押していない → 0

押した → 1

GPIO出力例¶

回路

GPIO
 │
330Ω
 │
LED
 │
GND

状態

GPIO = High
 ↓
LED点灯

GPIO番号¶

STM32では

PA0

PA1

PA2

のような名前が付いている。

意味

P = Port

A = Port A

0 = 0番ピン

例えば

PB7

なら

Port B の 7番ピン

となる。

GPIOの電流制限¶

GPIOは直接大電流を流せない。

例えばSTM32では

数mA〜数十mA程度

しか出力できない。

そのため

モータ

LEDテープ

ソレノイド

などは直接接続してはいけない。

代わりに

GPIO
 ↓
MOSFET
 ↓
負荷

のように接続する。

Pull-up / Pull-down¶

GPIO入力にはPull-upやPull-downがよく利用される。

Pull-up

通常 → High

押す → Low

Pull-down

通常 → Low

押す → High

入力を安定させるために必要である。

オープンドレイン¶

GPIOにはオープンドレインモードが存在する。

通常出力

High

Low

両方出力可能。

オープンドレイン

Lowのみ出力可能

I2C通信で利用される。

GPIO速度¶

STM32では出力速度を設定できる。

例

Low

Medium

High

Very High

LED程度なら

Low

で十分。

SPIなど高速通信では

High

Very High

が利用される。

GPIO割り込み¶

GPIOは入力変化を検出できる。

例

ボタン押下
 ↓
割り込み発生
 ↓
処理実行

ポーリングより効率的である。

ポーリングとの違い¶

ポーリング¶

while(1)
{
    ボタン確認
}

CPU負荷が高い。

割り込み¶

ボタン押下
 ↓
自動通知

CPU負荷が少ない。

STM32での利用¶

CubeMXで簡単に設定できる。

例

PA0

GPIO_Input

または

PA5

GPIO_Output

コード例¶

出力をHighにする

HAL_GPIO_WritePin(
    GPIOA,
    GPIO_PIN_5,
    GPIO_PIN_SET
);

出力をLowにする

HAL_GPIO_WritePin(
    GPIOA,
    GPIO_PIN_5,
    GPIO_PIN_RESET
);

入力を読む

HAL_GPIO_ReadPin(
    GPIOA,
    GPIO_PIN_0
);

LED点滅例¶

while(1)
{
    HAL_GPIO_TogglePin(
        GPIOA,
        GPIO_PIN_5
    );

    HAL_Delay(500);
}

結果

0.5秒点灯

0.5秒消灯

を繰り返す。

Asterでの利用例¶

ALEOではGPIOが大量に利用される。

DIPスイッチ¶

DIP SW
 ↓
GPIO入力

モータドライバ制御¶

GPIO
 ↓
DRV8871

LED表示¶

GPIO
 ↓
LED

割り込み入力¶

センサ
 ↓
GPIO
 ↓
Interrupt

よくあるトラブル¶

フローティング¶

Pull-upやPull-downが無い。

電流超過¶

GPIOから直接モータを駆動している。

ピン設定ミス¶

InputとOutputを逆にしている。

電圧超過¶

STM32へ5Vを直接入力している。

GPIOと他機能の関係¶

STM32のピンはGPIO以外にも利用できる。

例

GPIO

UART

SPI

I2C

ADC

PWM

そのため

PA9

をUARTに設定すると、

GPIOとしては利用できなくなる。

まとめ¶

GPIOはマイコンの最も基本的な機能である。

入力と出力ができる
ボタンやLEDの制御に利用される
Pull-up/Pull-downで入力を安定化する
割り込みに対応している
STM32のほぼ全ての機能の基礎となる

組み込み開発では最初に学ぶべき重要な機能であり、UART、SPI、I2C、PWMなども最終的にはGPIOピンを利用して実現されている。