技能+1！如何在树莓派上使用C++控制GPIO？

在使用树莓派时，你会发现Python和Scratch是许多任务（包括GPIO编程）中最常用的编程语言。但你知道吗，你也可以使用C++进行GPIO编程，而且这样做还有不少好处。

借助WiringPi和PiGPIO等库，C++可用于编程控制树莓派的GPIO引脚。它提供了更好的性能和控制能力，非常适合对速度和精度要求较高的硬件项目。

在树莓派社区中，关于“Python与C++哪个更适合树莓派”的讨论十分热烈。Python因其简单易用和庞大的生态系统而备受青睐，而C++则在性能和精确的硬件控制方面表现出色。这一特性使C++成为某些项目的可靠选择。

目录

先决条件

了解C/C++的不同GPIO库

搭建开发环境

搭建电路

编写GPIO程序以使LED闪烁

常见问题解答（FAQ）

先决条件

以下是使用C++进行GPIO编程所需的一些条件：

树莓派开发板：你可以使用任何符合项目资源需求的树莓派型号。本教程中，我将使用配备2GB内存的树莓派4B。

操作系统要求：任何受树莓派支持的操作系统均可。但如果你是初学者，我建议先使用树莓派操作系统（Raspberry Pi OS）。等你熟练掌握了在树莓派上使用C++编程后，再切换其他系统也不迟。

C++编译器（g++）：这是C++的命令行编译器，预装在树莓派操作系统中。

所需库（WiringPi、PiGPIO）：这些C++库用于与树莓派的GPIO引脚进行交互。

一个LED灯：本教程至少需要一个LED灯。

了解C/C++的不同GPIO库

在深入探讨各种可用库之前，我们先来了解一下为什么在使用GPIO引脚时需要库。

主要原因在于简化操作。库让我们无需处理复杂的底层硬件控制，就能轻松与GPIO引脚进行交互，既节省时间又降低了难度。

例如，如果我想打开/关闭一个GPIO引脚，只需使用以下这行代码：

digitalWrite(pin,HIGH);// Turn on an LED

但如果没有库，我就得直接操作内存寄存器，这要复杂得多。

WiringPi

WiringPi是树莓派上与GPIO引脚交互最受欢迎的库之一。我曾用它完成过搭建循线机器人等复杂项目，从未遇到过任何问题。

不过，在使用WiringPi之前，你应该知道它的引脚编号系统可能会让人困惑。

WiringPi并不遵循标准的BCM（GPIO）编号或树莓派的物理引脚布局。当第一款树莓派发布时，它只有少数几个可用的GPIO引脚，WiringPi以自己的方式将这些引脚编号为0到7。随着新款树莓派型号引入了更多GPIO引脚，WiringPi为了保持向后兼容性，保留了原有的编号方式。

这意味着WiringPi的引脚编号并不总是与实际的GPIO编号或电路板上的物理引脚位置相对应。不过别担心！你可以参考下表，查看每个树莓派引脚在WiringPi中的映射关系。

pigpio是另一个用于控制树莓派GPIO引脚的C++库。在撰写本文时，我虽未广泛使用过它，但从有限的几次使用经验来看，我发现它比WiringPi更强大，但我强烈建议仅将其用于高级任务。

与WiringPi不同，pigpio作为后台服务（守护进程）运行，非常适合精确的GPIO控制。如果你正在进行一个需要平稳精确控制电机或伺服器的项目，那么pigpio值得考虑。

然而，这一关键特性也是它的最大缺点。由于pigpio依赖于其守护进程，在资源（CPU和内存）有限的老款树莓派型号上，它可能无法很好地工作，尤其是在运行繁重的GPIO操作时。此外，你不能将其与WiringPi等其他库同时使用，因为它们可能会产生冲突。

注意：在本教程中，我将使用WiringPi，因为我只编写一个点亮LED的小程序。WiringPi对初学者友好，是开始在树莓派上进行GPIO编程的最简单方法之一。

搭建开发环境

现在，你已经掌握了使用C++控制GPIO引脚所需的所有信息。接下来，让我们深入探讨设置过程。

安装必要的开发包

如果你使用的是树莓派操作系统完整版，它已经预装了许多开发包。但如果你使用的是树莓派操作系统精简版（Lite）或其他基于Debian的发行版，则需要手动安装C++编译器和其他依赖项。

你可以通过运行以下命令来完成安装：

sudoapt updatesudo apt install g++ build-essential

安装并设置WiringPi

你必须在树莓派上安装WiringPi才能将其用于GPIO项目。首先，通过运行以下命令更新系统：

sudoapt update

以前，你可以轻松地使用apt命令从树莓派软件源中安装WiringPi。然而，由于WiringPi已停止支持，你需要从WiringPi的GitHub仓库克隆它：

gitclonehttps://github.com/WiringPi/WiringPi.gitcdWiringPi./build debiancddebian-templatesudo apt install ./wiringpi_3.14_arm64.deb

文件名可能有所不同，请根据设备生成的文件调整最后一条命令。

完成后，你可以通过运行以下命令验证安装是否成功：

gpio-v

现在，我们已经准备好了软件需求，接下来进入设置电路的步骤。

搭建电路

下一步是搭建电路。这一步需要你亲自动手，将LED灯连接到树莓派的GPIO引脚上。

了解树莓派GPIO布局

在继续之前，你需要明白不能将LED灯连接到树莓派的任意引脚上。每个引脚都有特定的功能，且只能用于该功能。有些引脚用于输入/输出，有些用于供电（3.3V或5V），还有些用于接地。

如果你之前没有做过涉及GPIO引脚的项目，我建议你快速浏览一下我们关于树莓派GPIO引脚入门的全面文章。它将帮助你更好地理解本教程的内容。

将LED灯连接到树莓派

现在，我将直接连接LED灯到树莓派，不使用电阻。我知道这不是理想的方法，但我之前这样做过，没有出现过任何问题。而且，我知道我的LED灯额定电压为3V，处于安全范围，不会损坏树莓派。

我将使用一个扩展板，因为它更整洁、更方便，但你也可以直接将LED灯连接到树莓派的引脚上，如果你觉得这样更方便的话。我将把LED灯连接到GPIO 26和接地（GND）引脚上。

编写GPIO程序以使LED闪烁

设置好电路后，我们就可以编写代码了。你可以使用许多编辑器在树莓派上编写程序。你可以选择基于命令行的编辑器（如Nano）或基于图形界面的编辑器（如Geany）。在本教程中，我将使用nano编辑器。

首先，打开终端，使用以下命令导航到“文档”目录并创建一个程序文件：

cdDocumentsmkdirBlinkLEDProgramtouchblink_led.cpp

创建文件后，我们可以使用nano编辑器打开它：

nanoblink_led.cpp

编写代码

这将打开一个空文本编辑器，你可以在其中开始编写代码。我将把这段代码分成几个部分，以便你更好地理解。

#include#include#include#include

#include ：这行代码包含了WiringPi库，使你能够控制树莓派的GPIO引脚。这是与LED等硬件交互所必需的。

#include ：这用于输入输出操作。在本例中，我们将使用它来向终端打印文本。

#include ：这提供了时间工具。在我们的程序中，我们将使用毫秒等工具来控制延迟。

#include ：我们将使用它来暂停程序执行指定的时间。它与Python中的sleep()函数类似。

constexprintLED_PIN =25;

在这里，我们定义了一个常量LED引脚，它将与树莓派上的引脚进行交互。你会注意到，我将其设置为25，但在搭建电路时，我明确表示将把LED灯连接到GPIO 26。

这是因为WiringPi使用了不同的GPIO编号方式。如果你参考上面的表格，你会发现树莓派上的GPIO 26在WiringPi库中被映射为引脚25。

usingnamespacestd;usingnamespacestd::chrono;usingnamespacestd::this_thread;

using namespace std;：这意味着我们可以使用标准的C++特性（如cout、cerr、endl等），而无需总是使用std::前缀。

std::

using namespace std::chrono;和using namespace std::this_thread;：这些使我们能够直接使用时间相关函数（如milliseconds和sleep_for），而无需每次都写出std::milliseconds或std::sleep_for。

intmain(intargc,char* argv[])

这是程序的入口点，程序从这里开始执行。

if(wiringPiSetup() == -1){ cerr<

wiringPiSetup()：这个函数初始化WiringPi库。如果它返回-1，说明出现了问题，库无法初始化。

cerr << "Failed to initialize wiringPi" << endl;：如果WiringPi设置失败，这将在终端打印一条错误信息。

return 1;：如果设置失败，这将结束程序。1表示发生了错误。

pinMode(LED_PIN, OUTPUT); //Setthe LED pinasoutput

pinMode(LED_PIN, OUTPUT);：这告诉树莓派，GPIO引脚25（连接LED灯的引脚）将用于输出。这很重要，因为引脚可以设置为输入（读取数据）或输出（发送数据）。

cout <

cout：这将在终端打印一条信息，告诉你程序正在运行，并且正在GPIO引脚25上使LED灯闪烁。这就像是对用户的一个快速状态更新。

while(true){ digitalWrite(LED_PIN,HIGH); sleep_for(milliseconds(500)); digitalWrite(LED_PIN,LOW); //Correctedfrom'Low'to'LOW' sleep_for(milliseconds(500));}

while (true)：这开始一个无限循环。循环内的代码将一直运行，直到你手动停止程序。这用于使LED灯持续闪烁。

digitalWrite(LED_PIN, HIGH);：这通过向GPIO引脚25发送高电平信号来打开LED灯。HIGH是一个常量，表示“开”。

sleep_for(milliseconds(500));：这暂停程序执行500毫秒（0.5秒），因此LED灯将保持亮起半秒钟。

digitalWrite(LED_PIN, LOW);：这通过向GPIO引脚25发送低电平信号来关闭LED灯。LOW表示“关”。

sleep_for(milliseconds(500));：这再次暂停程序执行500毫秒，因此LED灯将保持熄灭半秒钟。

这个循环使LED灯每半秒闪烁一次。

return0;

这行代码标志着程序的结束，并返回0表示一切运行正常。然而，由于我们有一个无限的while (true)循环，除非你手动通过键盘按下Ctrl + C停止程序，否则这行代码永远不会被执行。

最终的代码看起来与下图类似。

完成后，使用Ctrl + S保存代码并退出（Ctrl + X）。

编译并运行代码

要编译这个程序，请执行以下命令：

g++ -std=c++17-o blink_led blink_led.cpp -lwiringPi

g++：这是GNU C++编译器。

-std=c++17：指定代码应使用C++17标准进行编译。

-o blink_led：这告诉编译器创建一个名为blink_led的输出文件（可执行文件）。

blink_led.cpp：这是我们编写代码的源文件。

-lwiringPi：链接WiringPi库，这是控制树莓派GPIO引脚所必需的。

成功执行后，你可以使用以下命令运行程序：

./blink_led

下面的视频展示了我这边的输出结果。一切都很顺利，我的LED灯按预期闪烁。

排查错误

代码中的大多数错误将在编译过程中被捕获并显示在屏幕上。然而，还有其他一些问题可能会导致程序无法运行或LED灯无法闪烁。

如果你尝试运行程序时遇到类似以下错误：

wiringPiSetup:commandnot found

这意味着WiringPi没有正确安装。你可以按照上面“安装并设置WiringPi”部分中的说明重新安装它。

另一种排查问题的先进方法是使用gpio readall命令：

gpioreadall

它显示一个表格，展示所有GPIO引脚的当前引脚状态、模式和编号。你可以使用这些信息来解决LED灯不闪烁的多个问题。

检查引脚编号：由于不同的库（BCM、WiringPi和物理编号）使用不同的编号方式，gpio readall帮助你确认程序应该使用哪种编号方式。

验证引脚模式：你可以检查引脚是设置为输入、输出还是ALT模式。

检查引脚状态：该命令显示引脚当前是高电平（1）还是低电平（0）。因此，如果你的LED灯应该亮起但引脚仍然是低电平（0），那么你可能存在接线或软件问题。

检测冲突：你还可以使用这些信息来检查引脚是否被另一个进程或库使用。

就这样！你现在应该已经了解了如何在树莓派上使用C++控制GPIO引脚。在本教程中，我只使用了WiringPi库使LED灯闪烁的一个小例子。你可以通过使用更多组件和参与更复杂的项目来进一步探索。

FAQ

能否不使用任何库来编程GPIO？

是的，但难度要大得多。你将需要直接与内存寄存器或系统文件（如/sys/class/gpio/）进行交互。像WiringPi和PiGPIO这样的库使这一过程变得简单得多。

在C++中控制GPIO是否需要root权限？

这取决于你使用的库。WiringPi需要root权限（sudo）来访问GPIO引脚，因为它直接与硬件交互。PiGPIO作为后台服务（守护进程）运行，因此并不总是需要sudo，但这取决于守护进程的设置方式。

原文地址：

https://raspberrytips.com/control-gpio-with-c-on-raspberry-pi/