Alles über Raspberry Pi GPIO Pinning

Der Raspberry Pi ist seit vielen Jahren eine beliebte Plattform unter Hobbyisten und Profis. Sowohl für den Bau cleverer Projekte als auch einfacher Hobbyprojekte. Egal, ob Sie eine Wetterstation bauen, einen Roboter steuern oder Ihr Zuhause automatisieren, eine der leistungsstärksten Funktionen des Raspberry Pi ist der GPIO-Header. Diese Verbindungen ermöglichen dem „Pi“, direkt mit der Außenwelt zu kommunizieren. Sie können alles anschließen, von Sensoren und Motoren bis hin zu anderer Elektronik.

Bei verschiedenen Raspberry Pi -Modellen ist es jedoch manchmal schwierig zu erkennen, welcher Pin wofür ist. Was ist beispielsweise der Unterschied zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangspin? Und was genau bedeuten Begriffe wie I2C, SPI und UART? In diesem Artikel führen wir Sie Schritt für Schritt in die Welt von GPIO ein: von den Grundlagen bis zu den Unterschieden in der Pinbelegung pro Raspberry Pi -Modell.

Was sind GPIO-Pins?

GPIO steht für General Purpose Input/Output . Es handelt sich dabei um programmierbare Pins auf dem Raspberry Pi , die das Senden (Ausgabe) oder Empfangen (Eingabe) von Signalen ermöglichen. Denken Sie an die Steuerung einer LED-Leuchte oder das Auslesen eines Druckknopfs – all dies können Sie über die GPIO-Pins tun.

Die GPIO-Pins befinden sich auf dem sogenannten Header des Raspberry Pi , normalerweise eine Reihe mit 40 Pins (26 bei älteren Modellen). Dieser Header enthält neben GPIO-Pins auch spezielle Anschlüsse. Zum Beispiel: Stromversorgung (3,3 V, 5 V und GND) und Kommunikationsprotokolle (I2C, SPI und UART).

Da diese Pins mehrere Funktionen haben können (und nicht jeder Pin bei jedem Modell dasselbe tut), ist es wichtig, genau zu wissen, was jeder Pin auf Ihrem Raspberry Pi macht. In den folgenden Abschnitten erklären wir Ihnen die Pinbelegung der einzelnen Modelle, damit Sie immer sicher und effizient loslegen können.

GPIO-Pinbelegung – pro Raspberry Pi -Modell

Auf den ersten Blick sehen Raspberry Pi -Modelle sehr ähnlich aus. Es gibt jedoch Unterschiede bei ihren GPIO-Pins. Ältere Modelle verfügen über 26 Pins, neuere Modelle über 40. Auch die Funktionen der Pins sind nicht immer gleich. Manchmal erhalten vorhandene Pins zusätzliche Funktionen.

Für eine sichere und korrekte Verbindung müssen Sie wissen, welcher Pin welche Funktion hat. Einige Pins liefern Strom (3,3 V oder 5 V). Andere Pins dienen zur Eingabe oder Ausgabe. Es gibt auch Pins, die Protokolle wie I2C, SPI, UART und PWM unterstützen.

In den folgenden Abschnitten erklären wir, wie der GPIO-Header für jedes Modell aufgebaut ist. Sie erfahren, welche Pins Sie wofür verwenden. Außerdem zeigen wir Ihnen, welche PINs Sie vermeiden sollten, wenn Sie Risiken begrenzen möchten.

Mit diesem Wissen können Sie Kurzschlüsse und andere Fehler vermeiden. Sie verbinden Komponenten richtig und holen das Beste aus Ihrem Raspberry Pi -Projekt heraus.

Kurz gesagt: Überprüfen Sie immer die richtige Pinbelegung für Ihr Modell. So arbeiten Sie intelligent, sicher und effizient.

Raspberry Pi 5

Der Raspberry Pi 5 verwendet wie die Vorgängermodelle seit Pi B+ und Pi 2 einen 40-poligen GPIO-Header. Dadurch wird sichergestellt, dass viele HATs und Erweiterungsmodule kompatibel bleiben. Dennoch bringt der Pi 5 einige technische Verbesserungen mit sich.

Der Header verfügt über ein standardmäßiges 2x20-Pin-Layout: zwei Reihen mit je zwanzig. Die Pinbelegung ist weitgehend identisch mit der des Raspberry Pi 4. Unter der Haube gibt es jedoch einige bemerkenswerte Aktualisierungen.

Beispielsweise bietet ein neuer I/O-Controller schnellere GPIO-Schnittstellen. Die Architektur des Pi 5 wurde überarbeitet und die Unterstützung für UART, SPI und I2C verbessert. Darüber hinaus können Sie per Software weitere Funktionen per PIN einstellen. Dies geschieht über sogenannte Alternativfunktionen (ALT-Modi).

Die ersten beiden Pins oben links liefern 3,3 V und 5 V Strom. Als nächstes kommt eine Mischung aus GPIOs, Erdungspins und Kommunikationspins. Berücksichtigen Sie SDA/SCL (I2C), TX/RX (UART) und MOSI/MISO/SCLK/CE (SPI).

Bitte beachten: Das physische Layout ist im Vergleich zu früheren 40-Pin-Modellen unverändert. Die Funktionen einiger Pins können jedoch unterschiedlich sein. Überprüfen Sie daher immer die offizielle Pinbelegung des Raspberry Pi 5. Sie können auch Tools wie pinout.xyz oder den Befehl gpio readall im Raspberry Pi OS-Terminal verwenden.

Im Rest dieses Artikels werden wir näher auf die Funktionen der einzelnen Pins eingehen. Außerdem zeigen wir Ihnen, wie Sie diese verwenden und worauf Sie beim Anschluss externer Komponenten achten müssen.

Raspberry Pi 2, 3 und 4 (40-polig)

Raspberry Pi 2, 3 und 4 verwenden alle einen 40-poligen GPIO-Header. Diese haben die gleiche physikalische Pinbelegung. Dadurch können Sie HATs und Erweiterungskarten ohne Änderungen an jedem Modell verwenden. Die zugrunde liegende Hardware ist anders, aber das GPIO-Layout bleibt praktisch gleich.

Die 40 Pins sind auf zwei Reihen zu je 20 Pins verteilt. Sie bieten Zugriff auf:

• Stromanschlüsse: 5 V an den Anschlüssen 2 und 4, 3,3 V an den Anschlüssen 1 und 17 und mehrere GND-Anschlüsse.
• Standard-GPIOs: Frei programmierbar, als Eingang oder Ausgang nutzbar.
• Kommunikationsprotokolle:
  
  • I2C: Pin 3 (SDA) und Pin 5 (SCL)
  • SPI: Pin 19, 21, 23, 24 und 26
  • UART: Pin 8 (TXD) und Pin 10 (RXD)
    
    

Einige Pins unterstützen alternative Funktionen. Denken Sie an PWM für Motoren oder GCLK für Taktsignale. Diese Funktionen können Sie per Software einstellen.

Eine farbcodierte GPIO-Karte ist nützlich. Hier wird für jeden Pin die Funktion und die zugehörige BCM-Nummer angezeigt. Die meisten Programmiersprachen, wie z. B. Python mit RPi.GPIO oder gpiozero, verwenden diese BCM-Nummerierung.

Tipp: Verwenden Sie mehrere Kommunikationsprotokolle gleichzeitig? Planen Sie dann sorgfältig, welche Pins Sie verwenden. Auf diese Weise vermeiden Sie Konflikte zwischen Funktionen.

Da die Pinbelegung standardisiert ist, können Sie problemlos zwischen Pi 2, 3 oder 4 wechseln. Sie müssen Ihr Hardware-Setup nicht ändern. Nur für spezielle Anwendungen, wie beispielsweise SPI- oder UART-Performance, lohnt sich ein Blick auf die Hardware-Unterschiede.

Raspberry Pi Zero & Zero 2 W

Raspberry Pi Zero und Zero 2 W sind klein, stromsparend und vielseitig. Sie verfügen über einen vollständigen 40-poligen GPIO-Header. Dadurch können Sie dasselbe Zubehör, dieselben HATs und Erweiterungsplatinen wie bei größeren Modellen wie dem Pi 3 und Pi 4 verwenden.

Das Pinout-Layout ist identisch mit dem von Pi 2, 3 und 4, sodass Sie Zugriff auf Standard-GPIO-Pins, Stromquellen und Kommunikationsprotokolle wie I2C, SPI und UART haben. PWM- und Taktsignale sind ebenfalls verfügbar. Damit können Sie unter anderem Motoren oder LEDs ansteuern.

Es gibt einige Punkte zu beachten. Viele Zero Modelle werden ohne angelöteten GPIO-Header geliefert. Daher müssen Sie die Pins zum Verbinden von Komponenten oft selbst verlöten.

Darüber hinaus sind Pi Zero und Zero 2 W weniger leistungsstark als ihre größeren Brüder. Sie haben weniger RAM und Rechenleistung. Dies kann bei Projekten eine Rolle spielen, bei denen viele Dinge gleichzeitig erledigt werden, wie etwa die Steuerung mehrerer Sensoren über I2C oder SPI.

Doch diese kleinen Pis bieten überraschend viel. Sie eignen sich ideal für Projekte, die nur wenig Platz benötigen oder über einen langen Zeitraum mit Batteriestrom laufen müssen. Wenn man ihre Grenzen kennt und berücksichtigt, kann man mit ihnen viel erreichen. Ihre Einfachheit und Effizienz machen sie perfekt für intelligente und leichte Anwendungen.

Raspberry Pi 1 Modell A (26-polig)

Der allererste Raspberry Pi , das Modell A Rev 1.0, markiert den Beginn der Raspberry Pi -Ära. Dieses kompakte Modell verfügt über einen 26-poligen GPIO-Header. Obwohl man damit viel machen kann, unterscheidet sich das Layout und die Nummerierung von den späteren 40-poligen Versionen. Daher ist es wichtig, genau zu wissen, welcher Pin wofür ist. Die Stromanschlüsse liefern 3,3 V an Pin 1, 5 V an den Pins 2 und 4 und Masse über die Pins 6, 9, 14, 20 und 25. Diese versorgen angeschlossene Komponenten mit Strom oder Masse.

Die GPIO-Pins verwenden eine ältere Nummerierung als neuere Modelle. GPIO0 an Pin 3 fungiert auch als SDA für I2C. GPIO1 an Pin 5 dient auch als SCL. Weitere wichtige Pins sind GPIO4 an Pin 7 sowie GPIO14 und GPIO15 an den Pins 8 und 10. Die beiden letzteren werden für die UART-Kommunikation verwendet, also zum Senden bzw. Empfangen. GPIO17 bis GPIO25 sind ebenfalls auf die Pins 11 bis 22 und Pin 24 verteilt. Für die SPI-Kommunikation sind GPIO10, GPIO9, GPIO11, GPIO8 und GPIO7 wichtig, die jeweils einem bestimmten Pin von 19 bis 26 zugeordnet sind.

Beachten Sie, dass diese Version andere GPIO-Nummern verwendet als spätere Modelle. Beim Schreiben oder Portieren von Code muss dies unbedingt berücksichtigt werden. Einige Pins unterstützen möglicherweise zusätzliche Funktionen, wie z. B. PWM oder Taktsignale. Dies hängt von der verwendeten Software und dem jeweiligen Modell ab. Da dieses Modell mittlerweile veraltet ist, ist die Dokumentation möglicherweise begrenzt. Nicht alle modernen Tools sind vollständig kompatibel. Wer mit diesem originalen Raspberry Pi arbeitet, sollte stets ein aktuelles Pinbelegungsdiagramm zur Hand haben und beim Anschließen der Komponenten vorsichtig sein.

Erklärung spezieller Anschlüsse

Der GPIO-Header des Raspberry Pi kann mehr als nur digitale Signale lesen oder schreiben. Einige Pins sind für erweiterte Kommunikation vorgesehen. Damit können Sie Geräte wie Sensoren, Motorsteuerungen und Bildschirme steuern. Diese Pins verwenden Protokolle wie I2C, SPI und UART. Jedes Protokoll hat seine eigenen Vorteile und Anwendungen. So können Sie schnell Daten austauschen oder mehrere Geräte gleichzeitig verbinden.

Neben der Kommunikation finden Sie hier auch Pins für die Stromversorgung. Einige liefern 3,3 V oder 5 V, andere dienen als Masse. Dadurch können Sie angeschlossene Komponenten mit Strom versorgen bzw. richtig anschließen. Einige Pins unterstützen PWM, eine Technik, mit der Sie analoges Verhalten imitieren können. Denken Sie an das Dimmen einer LED oder die Steuerung eines Servos.

Wie diese Verbindungen funktionieren, erfahren Sie in den folgenden Kapiteln. Sie erfahren auch, wie Sie sie in Ihren Projekten verwenden können. Auf diese Weise holen Sie das Beste aus dem GPIO-Header heraus und arbeiten sicher mit externer Hardware.

Eingabe/Ausgabe

Die grundlegendste, aber auch am häufigsten verwendete Funktion von GPIO-Pins ist die der digitalen Eingabe oder Ausgabe. In diesem Modus können Pins zum Lesen (Eingabe) oder Schreiben (Ausgabe) von Signalen programmiert werden.

• Eingabe : In diesem Modus „lauscht“ ein GPIO-Pin auf ein elektrisches Signal. Damit lässt sich beispielsweise ein Button auslesen. Wenn die Taste gedrückt wird und Spannung durchfließt, ändert sich das Signal am Pin von niedrig (0) auf hoch (1) oder umgekehrt.
• Ausgabe : In diesem Modus „sendet“ der GPIO-Pin ein Signal an eine Komponente. Denken Sie beispielsweise an die Steuerung einer LED, eines Relais oder eines Summers. Der Pin setzt dann das Signal auf High (3,3 V) oder Low (0 V), um etwas auszulösen.
  
  

Die GPIO-Pins des Raspberry Pi arbeiten mit einer Logikspannung von 3,3 Volt , was bedeutet, dass die hohe Ausgangsspannung 3,3 V beträgt. Bitte beachten : Das direkte Anschließen von 5-V-Signalen an einen GPIO-Pin kann den Pi dauerhaft beschädigen. Verwenden Sie in diesem Fall einen Spannungsteiler oder einen Logikpegelwandler.

Stromanschlüsse (3,3 V, 5 V, GND)

Zusätzlich zu den programmierbaren GPIOs enthält der Header des Raspberry Pi auch eine Reihe dedizierter Strompins. Diese dienen der Stromversorgung externer Komponenten wie Sensoren, Module oder Mikrocontroller.

• 3,3-V-Pins
  • Pins: 1 und 17
  • Diese Pins liefern eine konstante Spannung von 3,3 V direkt vom Spannungsregler des Pi. Sie eignen sich zur Stromversorgung kleinerer 3,3-V-Komponenten.
• 5-V-Pins
  • Pins: 2 und 4
  • Diese werden direkt an die 5-V-Stromversorgung des Pi angeschlossen (über USB oder GPIO-Stromeingang) und können zum Ansteuern leistungsstärkerer Module verwendet werden, die 5 V benötigen.
• GND (Masse)
  • Mehrere Pins, darunter 6, 9, 14, 20, 25, 30, 34 und 39
  • Die Masse stellt den Bezugspunkt für die Spannung dar und ist in jedem Stromkreis unverzichtbar. Alle angeschlossenen Komponenten müssen für eine ordnungsgemäße Funktion mit mindestens einem GND-Pin verbunden sein.

Die richtige Verwendung der Stromanschlüsse ist für die Stabilität Ihres Projekts von entscheidender Bedeutung. Eine Überlastung des 3,3-V-Reglers oder ein Kurzschluss der 5-V-Leitung kann den Raspberry Pi beschädigen.

I2C (SDA/SCL)

I2C (Inter-Integrated Circuit) ist ein serieller Kommunikationsstandard. Es ermöglicht die Verbindung zwischen mehreren Geräten über nur zwei Datenleitungen zum Raspberry Pi . I2C ist ideal für Sensoren, Displays und Chips mit geringer Bandbreite.

Die beiden Zeilen sind:

• SDA (Daten) – Pin 3 (GPIO2)
• SCL (Takt) – Pin 5 (GPIO3)
  
  

Zusammen bilden diese Linien einen Bus. Sowohl der Raspberry Pi als auch andere Geräte sind mit diesem Bus verbunden. Jedem Gerät wird eine eindeutige Adresse zugewiesen. Dadurch können mehrere Komponenten gleichzeitig an denselben zwei Pins betrieben werden.

Um I2C zu verwenden, müssen Sie es über raspi-config oder config.txt aktivieren . Es sind Pull-Up-Widerstände erforderlich, die normalerweise auf Modulen vorhanden sind. Wenn nicht, verwenden Sie beispielsweise 4,7 kΩ bis 3,3 V.

Typische Anwendungen sind:

• Temperatursensoren (z. B. BMP280)
• OLED-Bildschirme
• RTC-Uhren
• GPIO-Expander (wie MCP23017)

SPI (MOSI/MISO/CLK/CE)

SPI (Serial Peripheral Interface) ist ein schnellerer Kommunikationsbus als I2C und wird häufig verwendet, wenn Geschwindigkeit oder Zuverlässigkeit wichtig sind. Im Gegensatz zu I2C benötigt SPI mehr Datenleitungen.

Der Standard-SPI-Bus auf dem Raspberry Pi besteht aus den folgenden Pins:

• MOSI (Master Out Slave In) – Pin 19 (GPIO10)
• MISO (Master In Slave Out) – Pin 21 (GPIO9)
• SCLK (Takt) – Pin 23 (GPIO11)
• CE0 (Chip Enable 0) – Pin 24 (GPIO8)
• CE1 (Chip Enable 1) – Pin 26 (GPIO7)
  
  

Der Pi fungiert als Master und sendet Daten über MOSI an das angeschlossene Slave- Gerät. Dieses Gerät kann Daten über MISO zurücksenden. CE0 und CE1 werden verwendet, um anzuzeigen, mit welchem Gerät der Pi derzeit kommuniziert (Sie können also mehrere SPI-Geräte anschließen, solange jedes seinen eigenen CE-Pin verwendet).

SPI eignet sich ideal für Anwendungen wie:

• Schnelle ADC/DAC-Module
• TFT- und OLED-Bildschirme
• SD-Karten
• RFID-Lesegeräte
  
  

Wie bei I2C muss SPI zunächst im Betriebssystem über raspi-config aktiviert werden . Es ist auch wichtig, die 3,3-V-Logik auf dem Pi zu berücksichtigen, wenn Geräte angeschlossen werden, die mit 5 V betrieben werden.

UART (TX/RX)

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) ist eine einfache Möglichkeit, Daten zwischen zwei Geräten zu senden. Denken Sie an die Kommunikation zwischen einem Raspberry Pi und einem Mikrocontroller, GPS-Modul oder Sensor.

Der Raspberry Pi verfügt über Standard-UART auf diesen Pins:

• TXD (Senden): Pin 8 (GPIO14)
• RXD (Empfangen): Pin 10 (GPIO15)
  
  

Mit UART verwenden Sie nur zwei Leitungen zum Senden und Empfangen von Daten. Da das Protokoll asynchron ist, müssen beide Geräte die gleiche Baudrate einstellen. Gängige Werte sind 9600 oder 115200 Bit pro Sekunde.

Typische Anwendungen:

• Serielle Kommunikation mit Arduino oder ESP32
• Debuggen über ein serielles Terminal
• Verbindung zu GPS- oder GSM-Modulen
  
  

Standardmäßig verwendet der Raspberry Pi UART für die Konsolensignale. Wenn Sie UART für Ihre eigenen Projekte verwenden möchten, müssen Sie diese Funktion über raspi-config oder config.txt deaktivieren .

Achten Sie genau auf den Spannungspegel. Der Pi arbeitet mit 3,3-V-Logik. Der Anschluss eines Geräts, das 5 V verbraucht, kann zu Schäden führen.

PWM (Pulsweitenmodulation)

PWM (Pulsweitenmodulation) ist eine Methode zur Modulation eines digitalen Signals, sodass es sich wie ein analoges Signal verhält. Der Raspberry Pi verfügt nicht über integrierte analoge Ausgänge, aber mit PWM können Sie trotzdem Dinge tun wie:

• Eine LED stufenlos dimmen
• Steuerung der Motordrehzahl
• Steuern der Position eines Servos
  
  

Standardmäßig sind auf dem GPIO-Header zwei Pins für Hardware-PWM verfügbar:

• GPIO12 (PWM0) – Pin 32
• GPIO13 (PWM1) – Pin 33
  (Alternativ können je nach Konfiguration auch GPIO18 und GPIO19 verwendet werden)
  

PWM funktioniert, indem ein digitaler Impuls mit einer bestimmten Frequenz ein- und ausgeschaltet wird. Je länger das Signal im Verhältnis zu der Zeit „hoch“ ist, in der es „niedrig“ ist, desto höher ist die durchschnittlich gelieferte Leistung. Wir nennen dies den Arbeitszyklus .

Für einfache Anwendungen (wie das Dimmen einer LED) können Sie auch Software-PWM über Bibliotheken wie RPi.GPIO oder gpiozero verwenden . Für eine präzisere Zeitsteuerung, beispielsweise bei Servomotoren, wird Hardware-PWM empfohlen.

Abschluss

Der GPIO-Header ist das schlagende Herz Ihrer Raspberry Pi -Projekte. Anfänger oder Fortgeschrittener? Die Kenntnis der Pinbelegung ist von entscheidender Bedeutung. So holen Sie das Beste aus Ihrem Pi heraus.

In diesem Artikel besprechen wir die Grundlagen von GPIO. Wir erklären die Unterschiede zwischen den Pinbelegungen verschiedener Modelle. Wir behandeln auch spezielle Verbindungen wie I2C, SPI, UART und PWM. Diese machen den Raspberry Pi zu einem vielseitigen Controller.

Möchten Sie eine LED steuern oder einen Sensor auslesen? Oder ein Gerät über die serielle Kommunikation verbinden? Ein gutes Verständnis der GPIO-Pins hilft Ihnen, sicher und effizient zu arbeiten.

Verwenden Sie immer ein aktuelles Pinbelegungsdiagramm. Prüfen Sie, ob Ihre Komponenten für 3,3-V-Logik geeignet sind. So verhindern Sie Schäden an Ihrem Pi.

Mit dem richtigen Wissen können Sie stabile und intelligente Lösungen bauen. Und das verschafft Ihnen langfristig Freude und Erfolg bei Ihren Projekten.