树莓派CentOS系统下，如何配置并使用GPIO引脚开发？

在树莓派上部署CentOS系统,并将其作为嵌入式项目的稳定基石，正逐渐成为一种专业且可靠的选择，这种组合将CentOS的企业级稳定性、安全性与长期支持，同树莓派紧凑的硬件形态和丰富的接口，特别是通用输入输出端口（GPIO）完美结合，GPIO是连接数字世界与物理世界的桥梁，允许开发者控制LED、读取传感器、驱动继电器等，本文将深入探讨在CentOS for ARM环境下，如何高效、规范地操作树莓派的GPIO引脚。

环境准备与工具安装

与预装了丰富树莓派专用工具的Raspberry Pi OS不同，CentOS提供了一个更“原生”的Linux环境，这意味着我们需要手动安装用于GPIO交互的工具，现代Linux内核推荐使用libgpiod库来管理GPIO，它通过字符设备提供了统一的接口，避免了直接操作/sys/class/gpio带来的诸多问题。

确保您的CentOS系统已更新至最新状态,通过dnf包管理器安装必要的软件包：

sudo dnf update -y
sudo dnf install -y libgpiod libgpiod-devel python3-pip

libgpiod是核心的C库及其开发文件，而python3-pip则用于后续安装Python绑定，对于Python开发者，安装官方的gpiod模块是最佳选择：

pip3 install gpiod

至此,基础环境已经准备就绪，我们可以通过命令行和编程两种方式来控制GPIO。

通过命令行控制GPIO

libgpiod提供了一套强大的命令行工具，非常适合快速测试和脚本编写，主要包括以下四个命令：

• gpiodetect: 列出系统中所有GPIO控制器（chip）。
• gpioinfo: 查看指定控制器上所有引脚的详细信息，包括编号、当前状态、消费者和可用功能。
• gpioset: 设置GPIO引脚的状态（高电平或低电平）。
• gpioget: 读取GPIO引脚的当前状态。

要查看树莓派4B的GPIO信息,通常控制器名为gpiochip0：

gpioinfo gpiochip0

输出会显示一个引脚列表,其中包含引脚的线路名称（如GPIO17）和偏移量（line offset，如17），要将GPIO17（物理引脚11）设置为高电平，可以执行：

gpioset gpiochip0 17=1

设置为低电平：

gpioset gpiochip0 17=0

读取GPIO18（物理引脚12）的状态：

gpioget gpiochip0 18

通过编程接口控制GPIO

对于更复杂的应用,编程控制是必然选择，以下是一个使用Python gpiod库控制LED闪烁的示例，假设将一个LED的正极通过限流电阻连接到GPIO17，负极接地。

import gpiod
import time
# 定义使用的GPIO芯片和线路偏移量
CHIP = 'gpiochip0'
LINE_OFFSET = 17
# 初始化GPIO芯片
try:
    with gpiod.Chip(CHIP) as chip:
        # 获取指定的GPIO线路
        line = chip.get_line(LINE_OFFSET)
        # 请求线路作为输出，并设置消费者名称
        line.request(consumer='my-led-blinker', type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT)
        print(f"开始闪烁连接到GPIO {LINE_OFFSET}的LED，按Ctrl+C退出。")
        # 循环10次
        for i in range(10):
            line.set_value(1)  # 设置为高电平，点亮LED
            time.sleep(0.5)
            line.set_value(0)  # 设置为低电平，熄灭LED
            time.sleep(0.5)
        print("闪烁完成。")
        # 释放线路（with语句会自动处理）
except PermissionError:
    print(f"权限不足，请尝试使用sudo运行或将用户添加到'gpio'组。")
except FileNotFoundError:
    print(f"找不到GPIO设备 '{CHIP}'，请检查内核驱动或硬件。")
except Exception as e:
    print(f"发生错误: {e}")

这个脚本清晰地展示了初始化、请求线路、设置输出状态和释放资源的完整流程，体现了libgpiod的严谨性。

树莓派GPIO引脚布局

为了方便对照,以下是常用的树莓派40针GPIO扩展座的引脚定义表（以BCM编号为准）：

物理引脚	BCM编号	名称	默认功能
1	–	3V	3V Power
2	–	5V	5V Power
3	2	SDA.1	I2C Data
4	–	5V	5V Power
5	3	SCL.1	I2C Clock
6	–	GND	Ground
7	4	GPCLK0	GPIO4
8	14	TXD0	UART Transmit
9	–	GND	Ground
10	15	RXD0	UART Receive
11	17	–	GPIO17
12	18	PCM_CLK	GPIO18 / PWM0
…	…	…	…
39	–	GND	Ground
40	21	–	GPIO21

注：此表仅展示部分引脚，完整布局请参考树莓派官方文档。

重要注意事项

1. 权限问题：普通用户默认无法访问GPIO设备，最安全的做法是将用户添加到gpio组（如果该组存在）或使用sudo执行命令/脚本，可以运行 sudo usermod -a -G gpio $USER 后注销重新登录。
2. 电压电平：树莓派的GPIO引脚工作在3.3V逻辑电平，直接连接5V设备可能会永久损坏树莓派，进行电路设计时务必注意电平匹配。
3. 库的兼容性：不要尝试在CentOS上安装为Raspberry Pi OS编译的RPi.GPIO库，它依赖于特定的内核驱动和补丁，无法在标准的CentOS内核上工作。libgpiod及其Python绑定是跨发行版的通用解决方案。

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相关问答 (FAQs)

为什么在CentOS上不能像在Raspberry Pi OS上那样直接使用RPi.GPIO库？

解答： RPi.GPIO库深度依赖于Raspberry Pi OS内核中特定的、非标准的驱动程序和设备树（Device Tree）补丁，这些补丁为GPIO提供了简化的、直接映射的访问接口，而CentOS使用的是更接近Linux上游标准的内核，它没有包含这些树莓派专用的补丁。RPi.GPIO库无法找到它所依赖的底层接口。libgpiod是Linux内核社区官方推荐的GPIO管理框架，它通过字符设备提供了一个标准、稳定且安全的抽象层，适用于所有遵循此标准的Linux发行版，包括CentOS。

如何让我的Python脚本在每次运行时都不需要输入sudo密码就能控制GPIO？

解答： 这个问题的核心是权限，默认情况下，/dev/gpiochip*设备文件的所有者是root，并且只有root和gpio组的成员才有读写权限，最推荐的方法是将您的常规用户添加到gpio用户组中，可以执行以下命令：
sudo usermod -a -G gpio $USER
执行完毕后，您需要完全注销当前用户会话并重新登录，组权限的更改才能生效，之后，您的用户就拥有了直接访问GPIO设备的权限，运行相关脚本时便不再需要sudo，如果系统中没有gpio组，您可能需要手动创建它（sudo groupadd gpio）并配置udev规则来赋予该组相应的设备访问权限。