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GPIOとは?機能や使用例は?組み込み式プログラムでも利用

いくらパソコンの脳とも言われるCPUを用意しても、入力から出力までしっかり行われないとCPUは十分な役割を果たせません。
CPUの入力から出力に関連しているのが、I/Oポートです。
GPIOは、そんなI/Oポートにおいて重要な役割を果たしています。

入力にも出力にも使えるGPIO(汎用IO)

GPIOは、General Purpose Input/Output(ジェネラル・パーパス・インプット/アウトプット)の略、汎用I/Oポートとも言われます。
GPIOは、I/Oのうち、デジタル信号に関するピンのことです。

GPIOはユーザ側で制御でき、入力でも出力でも使用できることから汎用の名前がついています。
初期では入力か出力か固定された端子になっていましたが、現在のGPIO端子は入力・出力ともに自由に組み替えることが可能となっています。

コンピュータ、マイクロコンピュータに活用されるGPIO

GPIOは、ピンが少ない集積回路、ビデオカードなどの多機能なチップ、ビデオや液晶ディスプレイなどの組み込み式アプリケーションに活用されています。
つまり、テレビや洗濯機、スマートフォン、おもちゃなど、コンピュータ機器に限らず、マイクロコンピュータが使用されているさまざまな機器に使用されているということです。

まず、マイクロコンピュータは、計算などの処理を行うCPU、処理したものを記憶するメモリに分けられます。
しかし、マイクロコンピュータに備わっているCPUとメモリだけでは起動しません。
あくまで処理や記憶の能力があるというだけで、コンピュータが指示を行って結果まで出力する訳ではないためです。

たとえばパソコンの場合は、パソコンに指示を与えるために、キーボードやマウスなどの機器によって指示を与えます。
洗濯機などのマイクロコンピュータが使用されている電子機器の場合は、スイッチが入力装置です。
入力装置によって指示を与えることで、CPUで処理が行われ、メモリに保存するという流れになります。
ただ、入力装置とコンピュータは個別になっているため、そのままでは使用できません。
そこで活用されるのがGPIOです。GPIOを使用することによって、スイッチが入った、切られたなどのデジタル信号がマイクロコンピュータに送られ、処理が行われます。

出力の場合も同様です。単にLEDなどの出力装置を設置しただけではコンピュータの指示は出力装置にまで届きませんが、GPIOを活用することによって指示がデジタル信号で届き、処理が実行されます。

GPIOの機能とは

GPIOにはさまざまな機能があります。

  • 入力でも出力でも使える
  • コンピュータでは、64ピンなどのように複数のGPIOが使用されています。
    たとえば、62ピンが存在するとして、この62ピンはユーザの設定によって、自由に入力用、出力用と組み替えることが可能です。
    ユーザの設定次第では、入力用を多くしたり、出力用を多くしたり、カスタマイズすることができます。

  • 有効・無効の設定ができる
  • GPIOは、有効・無効の設定が可能です。
    たとえば、CPUを管理するのにあたって、不要な部分は時と場合に応じて無効にすることができますし、必要であればユーザの設定で有効にもできます。

  • 入力では割り込みができる
  • GPIOを使用した入力値は、割り込みが可能です。
    なお、GPIOコントローラーの一部においては、両エッジの信号で割り込みをすることができます。
    なお、こうした割り込み機能は、ボタンイベントなどの機能でよく活用されるものです。

  • その他のGPIOの機能
  • その他、GPIOは、出力値で読み書きが可能なほか、入力値においては読み出しが可能となっています。
    広範囲にも及ぶ機能がGPIOの特徴です。


入力、出力と汎用性の高いGPIO。ラズベリーパイ(Raspberry Pi)など、自身でマイクロコンピュータを動かしたい場合の組み込み式プログラミングを作る際にもよく使用されます。組み込み式のプログラミングを自作したい場合には、構造についてよく理解しておきたいです。

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