Hướng dẫn từ cơ bản đến nâng cao về GPIO trên Raspberry Pi

zeruns · 27 Tháng Tư 2026 17:09

Môi trường phần cứng: Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.5 · Debian 12 Bookworm · Nhân 6.12.25
Ngày kiểm thử: Tháng 4 năm 2026
Tác giả: zeruns (https://blog.zeruns.com/)
Nội dung này do AI viết, chỉ mang tính chất tham khảo (Hermes Agent + DeepSeek V4 Flash)

1. Khái niệm cơ bản về GPIO

1.1 GPIO là gì?

GPIO (General Purpose Input/Output - Ngõ vào/ra mục đích chung) là một nhóm chân có thể lập trình được trên bộ vi xử lý. Thông qua phần mềm, bạn có thể cấu hình mỗi chân thành:

Chế độ xuất (Output): Phát mức cao (3.3V) hoặc thấp (0V), dùng để điều khiển LED, rơle, còi, v.v.
Chế độ nhập (Input): Đọc trạng thái điện áp bên ngoài (cao/thấp), dùng để đọc tín hiệu từ nút nhấn, cảm biến
Chức năng thay thế (Alternate function): Các giao thức truyền thông chuyên dụng như I2C, SPI, UART, PWM, v.v.

1.2 Bố trí chân của Raspberry Pi 4B

Raspberry Pi 4B sử dụng thanh chân mở rộng 40 chân, có ba cách đánh số chân:

Cách đánh số	Mô tả	Thư viện mẫu
Chân vật lý (Board)	Đánh số từ 1 đến 40, bắt đầu từ góc trái trên là 1	RPi.GPIO `setmode(GPIO.BOARD)`
Số BCM (Broadcom)	Số theo chân GPIO trên chip, ví dụ GPIO17	RPi.GPIO `setmode(GPIO.BCM)`, libgpiod
Số wiringPi	Số do wiringPi tự định nghĩa (đã lỗi thời)	Thư viện wiringPi

Bảng chức năng 40 chân

                    ┌─────────────────────────────┐
                    │  🥝 Sơ đồ chân Raspberry Pi 4B 40 chân   │
  3.3V  (01) ──●  ●── (02)  5V                    │
 GPIO2  (03) ──●  ●── (04)  5V                    │
 GPIO3  (05) ──●  ●── (06)  GND                   │
 GPIO4  (07) ──●  ●── (08)  GPIO14 (UART TX)      │
   GND  (09) ──●  ●── (10)  GPIO15 (UART RX)      │
GPIO17  (11) ──●  ●── (12)  GPIO18 (PWM0)         │
GPIO27  (13) ──●  ●── (14)  GND                   │
GPIO22  (15) ──●  ●── (16)  GPIO23                │
  3.3V  (17) ──●  ●── (18)  GPIO24                │
GPIO10 (19) ──●  ●── (20)  GND  (SPI_MOSI)        │
 GPIO9 (21) ──●  ●── (22)  GPIO25 (SPI_MISO)      │
GPIO11 (23) ──●  ●── (24)  GPIO8  (SPI_SCLK)      │
   GND (25) ──●  ●── (26)  GPIO7  (SPI_CE0)       │
 GPIO0 (27) ──●  ●── (28)  GPIO1  (ID_SDA / I2C)  │
 GPIO5 (29) ──●  ●── (30)  GND                    │
 GPIO6 (31) ──●  ●── (32)  GPIO12 (PWM0)          │
GPIO13 (33) ──●  ●── (34)  GND                    │
GPIO19 (35) ──●  ●── (36)  GPIO16                 │
GPIO26 (37) ──●  ●── (38)  GPIO20                 │
   GND (39) ──●  ●── (40)  GPIO21                 │
                    └─────────────────────────────┘

Bảng chức năng chính của Raspberry Pi 4B

Chân vật lý	BCM	Chức năng	Chân vật lý	BCM	Chức năng
1	—	3.3V	2	—	5V
3	GPIO2	I2C1 SDA	4	—	5V
5	GPIO3	I2C1 SCL	6	—	GND
7	GPIO4	—	8	GPIO14	UART TX
9	—	GND	10	GPIO15	UART RX
11	GPIO17	—	12	GPIO18	PCM_CLK / PWM0
13	GPIO27	—	14	—	GND
15	GPIO22	—	16	GPIO23	—
17	—	3.3V	18	GPIO24	—
19	GPIO10	SPI0 MOSI	20	—	GND
21	GPIO9	SPI0 MISO	22	GPIO25	—
23	GPIO11	SPI0 SCLK	24	GPIO8	SPI0 CE0
25	—	GND	26	GPIO7	SPI0 CE1
27	GPIO0	ID_SDA (EEPROM)	28	GPIO1	ID_SCL (EEPROM)
29	GPIO5	—	30	—	GND
31	GPIO6	—	32	GPIO12	PWM0
33	GPIO13	PWM1	34	—	GND
35	GPIO19	PCM_FS / PWM1	36	GPIO16	—
37	GPIO26	—	38	GPIO20	PCM_DIN
39	—	GND	40	GPIO21	PCM_DOUT

1.3 Lưu ý quan trọng

Mức logic: GPIO của Raspberry Pi là mức 3.3V, không thể nối trực tiếp với tín hiệu 5V
Giới hạn dòng điện: Mỗi chân GPIO xuất tối đa khoảng 16mA, tổng tất cả các chân không quá 50mA
Trạng thái mặc định: Hầu hết các chân GPIO mặc định ở chế độ nhập, một số có điện trở kéo lên/kéo xuống trong
Chân 3.3V (01/17): Dòng điện xuất tối đa khoảng 500mA
Chân 5V (02/04): Lấy điện trực tiếp từ cổng USB-C, dòng điện phụ thuộc vào bộ nguồn

2. Chuẩn bị môi trường và công cụ

2.1 Danh sách công cụ đã cài đặt

Hướng dẫn này được kiểm thử trên hệ thống Debian 12 Bookworm, các công cụ sau đã được cài sẵn:

Công cụ/Thư viện	Phiên bản	Mục đích
libgpiod / gpioset / gpioget	1.6.3	Điều khiển GPIO bằng Shell
python3-libgpiod	1.6.3	Liên kết Python cho libgpiod
RPi.GPIO	0.7.2	Thư viện GPIO Python cổ điển
smbus2	Đã cài	Giao tiếp I2C bằng Python
spidev	Đã cài	Giao tiếp SPI bằng Python
pigpiod	1.79	Dịch vụ GPIO (PWM/điều khiển từ xa)
i2c-tools	4.3	Quét thiết bị I2C

2.2 Cài đặt công cụ cần thiết

Nếu thiếu một số công cụ, có thể cài theo lệnh sau:

# Công cụ GPIO cơ bản
sudo apt install gpiod libgpiod-dev python3-libgpiod

# Công cụ I2C
sudo apt install i2c-tools

# Thư viện Python
pip install RPi.GPIO smbus2 spidev gpiozero

# Dịch vụ pigpio (PWM phần cứng, khuyến nghị)
sudo apt install pigpio pigpiod
sudo systemctl enable pigpiod --now

2.3 Bật giao diện I2C / SPI

Sử dụng raspi-config để bật:

sudo raspi-config

Đường dẫn menu:
Interface Options → I2C → Enable → Yes
Interface Options → SPI → Enable → Yes

Hoặc trực tiếp sửa tệp /boot/firmware/config.txt (Debian 12):

# Thêm thủ công
sudo tee -a /boot/firmware/config.txt <<EOF
dtparam=i2c_arm=on
dtparam=spi=on
EOF

# Khởi động lại để áp dụng
sudo reboot

Kiểm tra việc bật thành công:

# Kiểm tra I2C
ls /dev/i2c*
# Đầu ra: /dev/i2c-20  /dev/i2c-21

# Kiểm tra SPI (sau khi bật)
ls /dev/spi*
# Đầu ra: /dev/spidev0.0  /dev/spidev0.1

2.4 Xem tất cả gpiochip

$ gpioinfo
gpiochip0 - 58 lines:
        line   0:     "ID_SDA"       unused   input  active-high
        line   1:     "ID_SCL"       unused   input  active-high
        line   2:      "GPIO2"       unused   input  active-high
        ...

Con chip BCM2711 trên Raspberry Pi 4B cung cấp một gpiochip0, tổng cộng 58 chân GPIO, nhưng chỉ có GPIO0-GPIO27 được đưa ra ngoài thông qua thanh chân 40Pin.

3. Nhập/xuất GPIO (bằng Shell)

3.1 Bộ công cụ libgpiod

Nên sử dụng các công cụ của libgpiod, vì nó không phụ thuộc wiringPi và là giải pháp phổ biến hiện nay.

Các lệnh chính:

Lệnh	Chức năng	Ví dụ
`gpioinfo`	Xem trạng thái tất cả GPIO	`gpioinfo`
`gpioset`	Thiết lập mức điện áp ngõ ra GPIO	`gpioset 0 17=1`
`gpioget`	Đọc mức điện áp ngõ vào GPIO	`gpioget 0 17`
`gpiomon`	Theo dõi sự kiện GPIO	`gpiomon 0 17`

Giải thích định dạng: gpioset <chip> <pin >= <va> chipthường là 0 (gpiochip0),pin` là số theo định danh BCM

3.2 Đầu ra: Bật đèn LED

Nối cực dương của đèn LED (chân dài) qua điện trở 330Ω đến GPIO17 (chân vật lý 11), cực âm (chân ngắn) nối đến GND (chân vật lý 9).

# Đặt mức cao cho GPIO17 → Bật LED
gpioset 0 17=1

# Đặt mức thấp cho GPIO17 → Tắt LED
gpioset 0 17=0

3.3 Đầu vào: Đọc trạng thái nút nhấn

Nối một đầu của nút nhấn vào GPIO18 (chân vật lý 12), đầu còn lại nối GND (chân vật lý 14).

# Đọc mức điện áp GPIO18 (yêu cầu kéo lên ngoài hoặc kích hoạt kéo lên nội)
gpioget 0 18
# Đầu ra: 1 (chưa nhấn, mức cao)
# Đầu ra: 0 (khi nhấn, mức thấp)

3.4 Xem trạng thái tất cả chân

# Xem tất cả các chân
gpioinfo

# Xem chân cụ thể (BCM 17)
gpioinfo | grep "GPIO17"
# Đầu ra: line  17:      "GPIO17"       "myapp"   output  active-high

3.5 Dùng gpioset thiết lập kéo lên/kéo xuống

libgpiod phiên bản 1.6 hỗ trợ thiết lập thiên vị (bias) khi yêu cầu:

# Đặt GPIO17 thành đầu ra, mức cao ban đầu, có kéo lên
gpioset --bias=enable 0 17=1

4. GPIO Đầu vào/Đầu ra (bằng Python)

4.1 Sử dụng RPi.GPIO (thư viện cổ điển)

RPi.GPIO là thư viện GPIO bằng Python được dùng phổ biến nhất, đơn giản và dễ hiểu.

4.1.1 Đầu ra: LED nhấp nháy

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# Dùng định danh theo BCM
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# Đặt GPIO17 làm đầu ra
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)

# Nhấp nháy LED 5 lần
for _ in range(5):
    GPIO.output(17, GPIO.HIGH)  # Bật
    time.sleep(0.5)
    GPIO.output(17, GPIO.LOW)   # Tắt
    time.sleep(0.5)

# Dọn dẹp tài nguyên
GPIO.cleanup()

4.1.2 Đầu vào: Đọc nút nhấn

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# GPIO18 làm đầu vào, bật điện trở kéo lên nội
GPIO.setup(18, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

try:
    while True:
        if GPIO.input(18) == GPIO.LOW:
            print("Nút được nhấn")
        else:
            print("Nút được nhả")
        time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()

GPIO.PUD_UP = kéo lên nội (mặc định mức cao, nhấn xuống mức thấp)
GPIO.PUD_DOWN = kéo xuống nội (mặc định mức thấp, nhấn lên mức cao)

4.1.3 Đầu ra PWM: Đèn kiểu thở

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)  # GPIO18 hỗ trợ PWM phần cứng

pwm = GPIO.PWM(18, 1000)  # Tần số 1kHz
pwm.start(0)  # Chu kỳ hoạt động 0% ban đầu

try:
    while True:
        # Dần sáng lên
        for duty in range(0, 101, 5):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.05)
        # Dần mờ đi
        for duty in range(100, -1, -5):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.05)
except KeyboardInterrupt:
    pwm.stop()
    GPIO.cleanup()

4.1.4 Phát hiện sự kiện: Đọc nút bằng ngắt

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(18, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

def button_callback(channel):
    print(f"Nút được nhấn! (chân {channel})")

# Kích hoạt ngắt theo cạnh xuống
GPIO.add_event_detect(18, GPIO.FALLING,
                      callback=button_callback,
                      bouncetime=200)

try:
    print("Đang chờ nhấn nút...")
    time.sleep(60)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()

4.2 Sử dụng gpiozero (tầng bao cao cấp)

gpiozero cung cấp lớp bao hướng đối tượng cao cấp, phù hợp để phát triển nhanh:

# Cài đặt
pip install gpiozero

from gpiozero import LED, Button, Buzzer
from signal import pause

# Đèn LED: Tự động nhấp nháy
led = LED(17)
led.blink()

# Nút nhấn: Khi nhấn, bật đèn LED
btn = Button(18, pull_up=True)

# Cách 1: Gán trực tiếp
btn.when_pressed = led.on
btn.when_released = led.off

# Cách 2: Hàm gọi lại tùy chỉnh
btn.when_pressed = lambda: print("Nhấn rồi!")

# Giữ chương trình chạy
pause()

gpiozero có các thành phần tích hợp:

Thành phần	Tên lớp	Mô tả
LED	`LED(pin)`	Điều khiển bật/tắt, nhấp nháy, hiệu ứng thở
Nút	`Button(pin, pull_up=True)`	Đọc trạng thái nút, phát hiện nhấn giữ
Buzzer	`Buzzer(pin)`	Điều khiển còi tích cực
Cảm biến khoảng cách	`DistanceSensor(echo, trigger)`	Cảm biến siêu âm HC-SR04
Động cơ servo	`Servo(pin)`	Điều khiển góc quay servo
Động cơ	`Motor(forward, backward)`	Điều khiển động cơ một chiều

4.3 Sử dụng liên kết Python của libgpiod (thao tác cấp thấp)

import gpiod
import time

# Mở gpiochip0
chip = gpiod.Chip('gpiochip0')

# Lấy dòng GPIO17 và yêu cầu làm đầu ra
line = chip.get_line(17)
line.request(consumer='myapp', type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT)

# Đặt mức cao
line.set_value(1)
time.sleep(1)

# Đặt mức thấp
line.set_value(0)

# Giải phóng
line.release()

Chế độ đầu vào:

import gpiod

chip = gpiod.Chip('gpiochip0')
line = chip.get_line(18)

# Yêu cầu làm đầu vào, kéo lên nội
line.request(consumer='myapp',
             type=gpiod.LINE_REQ_DIR_IN,
             flags=gpiod.LINE_REQ_FLAG_BIAS_PULL_UP)

value = line.get_value()  # 0 hoặc 1
print(f"GPIO18 = {value}")

line.release()

5. Giao tiếp I2C

5.1 Nguyên lý cơ bản I2C

I2C (Inter-Integrated Circuit) là một giao diện nối tiếp sử dụng hai đường dây:

Tín hiệu	Chân	Chức năng
SCL	GPIO3 (chân vật lý 5)	Đường đồng hồ
SDA	GPIO2 (chân vật lý 3)	Đường dữ liệu

Đặc điểm:

Cấu trúc chủ-tớ: Raspberry Pi là thiết bị chủ (Master), cảm biến là thiết bị tớ (Slave)
Địa chỉ 7 bit: Mỗi thiết bị tớ có địa chỉ duy nhất (ví dụ: 0x44)
Chia sẻ bus: Nhiều thiết bị có thể nối trên một bus I2C
Tốc độ: 100kHz (chuẩn), 400kHz (nhanh)

5.2 Xem bus I2C

# Xem danh sách bus I2C
$ i2cdetect -l
i2c-20  i2c        bcm2711_i2c1                   I2C adapter
i2c-21  i2c        bcm2711_i2c0                   I2C adapter

i2c-20: Ứng với chân 3(SDA)/5(SCL) — bus I2C chính
i2c-21: Ứng với ID_EEPROM (chân 27/28), thông thường không dùng cho thiết bị ngoài

5.3 Quét các thiết bị I2C

# Quét thiết bị trên i2c-20
$ i2cdetect -y 20
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:                         -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- 44 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

Có thiết bị tại địa chỉ 0x44 — đó chính là cảm biến nhiệt độ/độ ẩm SHT30 (địa chỉ I2C 0x44).

Nếu không thấy thiết bị nào (toàn hiển thị --), nghĩa là bus chưa nối thiết bị.

5.4 Đọc/ghi I2C bằng smbus2

smbus2 là thư viện I2C bằng Python phổ biến nhất.

5.4.1 Đọc cảm biến nhiệt độ/độ ẩm SHT30

import smbus2
import time

# Địa chỉ I2C của SHT30
SHT30_ADDR = 0x44

# Mở bus I2C 20
bus = smbus2.SMBus(20)

# Gửi lệnh đo: chế độ độ chính xác cao
bus.write_i2c_block_data(SHT30_ADDR, 0x2C, [0x06])

time.sleep(0.015)  # Chờ phép đo hoàn tất (15ms)

# Đọc 6 byte dữ liệu
data = bus.read_i2c_block_data(SHT30_ADDR, 0x00, 6)

# Tính nhiệt độ và độ ẩm
temp_raw = ((data[0] << 8) | data[1])
temp = -45 + 175 * temp_raw / 65535.0

hum_raw = ((data[3] << 8) | data[4])
hum = 100 * hum_raw / 65535.0

print(f"Nhiệt độ: {temp:.2f}°C")
print(f"Độ ẩm: {hum:.2f}%")

5.4.2 Đóng gói thành hàm

import smbus2
import time

class SHT30:
    def __init__(self, bus_id=20, addr=0x44):
        self.bus = smbus2.SMBus(bus_id)
        self.addr = addr

    def read(self):
        """Đọc nhiệt độ, độ ẩm, trả về (nhiệt độ °C, độ ẩm %)"""
        self.bus.write_i2c_block_data(self.addr, 0x2C, [0x06])
        time.sleep(0.015)
        data = self.bus.read_i2c_block_data(self.addr, 0x00, 6)

        temp_raw = (data[0] << 8) | data[1]
        temp = -45 + 175 * temp_raw / 65535.0

        hum_raw = (data[3] << 8) | data[4]
        hum = 100 * hum_raw / 65535.0

        return round(temp, 2), round(hum, 2)

# Sử dụng
sensor = SHT30()
t, h = sensor.read()
print(f"{t}°C, {h}%RH")

5.4.3 Các thao tác đọc/ghi I2C tổng quát

import smbus2

bus = smbus2.SMBus(20)
addr = 0x44  # Địa chỉ I2C thiết bị

# Ghi một byte vào thanh ghi
bus.write_byte_data(addr, 0x2C, 0x06)

# Đọc một byte
value = bus.read_byte_data(addr, 0x00)

# Đọc nhiều byte
data = bus.read_i2c_block_data(addr, 0x00, 6)

# Ghi nhiều byte
bus.write_i2c_block_data(addr, 0x2C, [0x06])

# Ghi một byte (không có địa chỉ thanh ghi)
bus.write_byte(addr, 0x06)

# Đọc một byte (không có địa chỉ thanh ghi)
value = bus.read_byte(addr)

bus.close()

5.5 Dùng lệnh i2cget / i2cset từ dòng lệnh

# Đọc thanh ghi trạng thái của SHT30 (1 byte)
$ i2cget -y 20 0x44 0x00
0x65

# Đọc 6 byte dữ liệu gốc
$ i2cget -y 20 0x44 0x00 b 6

6. Giao tiếp SPI

6.1 Nguyên lý cơ bản SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) là một bus nối tiếp đồng bộ song công, dùng bốn dây:

Tín hiệu	Chân Raspberry Pi	Chức năng
MOSI	GPIO10 (chân vật lý 19)	Chủ xuất, tớ nhận
MISO	GPIO9 (chân vật lý 21)	Chủ nhận, tớ xuất
SCLK	GPIO11 (chân vật lý 23)	Tín hiệu đồng hồ
CE0	GPIO8 (chân vật lý 24)	Chọn thiết bị 0
CE1	GPIO7 (chân vật lý 26)	Chọn thiết bị 1