(Aktualisiert 13.9.2024) Mit der Auslieferung des Raspberry Pi 5 im Herbst 2024 hat sich bei einigen Low-Level-Tools der GPIO-Zugriff geändert: Für die Modelle bis einschließlich Raspberry Pi 4 erfolgt der GPIO-Zugriff über chip0 bzw. /dev/gpiochip0. Beim Raspberry Pi musste dagegen chip4 bzw. /dev/gpiochip4 verwendet werden. Scripts, die universell auf alten und neuen Geräten laufen sollten, brauchten eine entsprechende Fallunterscheidung.

Mit Kernel 6.6.47, der mittlerweile standardmäßig als Update unter Raspberry Pi OS installiert wird, ändert sich wieder alles! Auch beim Raspberry Pi 5 muss nun /dev/gpiochip0 verwendet werden. Eine Referenz aller internen GPIO-Nummern gibt cat /sys/kernel/debug/gpio.

Die Änderung betrifft unter anderem:

• Python: gpiozero, lgpio, gpiod
• Bash: gpioset, gpioget
• C: lgpio, libgpiod, wiringpi

Scripts, die mit diesen Modulen bzw. Bibliotheken verfasst wurden, müssen geändert werden (Umstellung von GPIO-Chip 4 auf GPIO-Chip 0). Im Folgenden habe ich diesbezüglich Anleitungen für diverse Fälle zusammengefasst.

13.9.2024: Mit dem neuesten Update von Raspberry Pi OS wird ein Link von /dev/gpiochip4 auf /dev/gpiochip0 eingerichtet, wodurch die Auswirkungen des veränderten Kernels in den meisten Fällen nicht mehr spürbar sind.

ls -l /dev/gpiochip*

crw-rw---- 1 root gpio 254,  0 13. Sep 08:39 /dev/gpiochip0
crw-rw---- 1 root gpio 254, 10 13. Sep 08:39 /dev/gpiochip10
crw-rw---- 1 root gpio 254, 11 13. Sep 08:39 /dev/gpiochip11
crw-rw---- 1 root gpio 254, 12 13. Sep 08:39 /dev/gpiochip12
crw-rw---- 1 root gpio 254, 13 13. Sep 08:39 /dev/gpiochip13
lrwxrwxrwx 1 root root       9 13. Sep 08:39 /dev/gpiochip4 -> gpiochip0

Von gpiozero gibt es mittlerweile eine aktualisierte Version, die das richtige Chip-Device erkennt.

Python-Scripts mit gpiozero

Beim Start derartiger Scripts auf dem Raspberry Pi 5 mit dem aktuellen Kernel (>= 6.6.47) tritt die Fehlermeldung can not open gpiochip auf. Das Script bricht ab. Der Fehler ist bekannt, es wird demnächst eine neue Version des Python-Modules geben. Bis dahin ist es am einfachsten, das Script wie folgt zu starten:

RPI_LGPIO_CHIP=0 ./gpiozero-led.py

Alternativ führen Sie export RPI_LGPIO_CHIP=0 aus und fügen diese Anweisung auch in /home/your-account/.bashrc ein. Eine weitere Möglichkeit ohne die externe Definition von Umgebungsvariablen besteht darin, am Beginn Ihres Python-Scripts die folgende Zeile einzubauen:

import os 
os.environ['RPI_LGPIO_CHIP']='0'

Im gpiozero-Issue ist auch von PWM-Problemen zu lesen, die sich selbst mit RPI_LGPIO_CHIP=0 nicht lösen lassen. Das kann ich nicht bestätigen. Mein PWM-Test-Script gibt zwar eine Warnung aus, funktioniert aber.

Python-Scripts mit lgpio

Wenn Sie in Ihrem Python-Script das lgpio-Modul verwenden, müssen Sie den Handle nun IMMER mit gpiochip_open(0) öffnen, also:

# alle Raspberry-Pi-Modelle mit aktuellen Kernel >= 6.6.45
handle = lgpio.gpiochip_open(0)

# Raspberry Pi 5 mit Kernel < 6.6.45
# handle = lgpio.gpiochip_open(4)

Python-Scripts mit gpiod

Wenn Sie in Ihrem Python-Script das gpiod-Modul verwenden, müssen Sie die Initialisierung nun IMMER mit 'gpiochip0' durchführen, also:

chip = gpiod.Chip('gpiochip0')     # alle Modelle mit Kernel >= 6.6.45
# chip = gpiod.Chip('gpiochip4')   # Raspberry Pi 5 mit Kernel < 6.6.45

pinout-Kommando

Auch das Kommando pinout liefert zur Zeit Fehlermeldungen (can’t connect to pigpio at localhost sowie Unable to initialize GPIO Zero). Hinter den Kulissen handelt es sich bei dem Kommando um ein Python-Script, das gpiozero verwendet. Bis dieses Modul aktualisiert wird, hilft der oben schon erwähnte Trick mit RPI_LGPIO_CHIP=0 weiter, also:

RPI_LGPIO_CHIP=0 pinout

bash-Scripts mit gpioset, gpioget und gpiomon

Bei den genannten Kommandos übergeben Sie als ersten Parameter die Chip-Nummer. Ab Kernel 6.6.45 lautet diese IMMER 0, also z.B.:

chip=0
gpioset $chip 7=1   # GPIO 7 (Pin 26) auf "high" stellen
gpioset $chip 7=0   # GPIO 7 (Pin 26) auf "low" stellen

bash-Scripts mit pinctrl

Hier ändert sich nichts. pinctrl war schon in der Vergangenheit in der Lage, die richtige Chip-Nummer selbst zu erkennen, und das funktioniert weiterhin. Großartig!

pinctrl set 7 op dh   # LED an Pin 26 ein
pinctrl set 7 op dl   # LED an Pin 26 aus

C-Programme mit lgpio

Ab Kernel 6.6.45 müssen Sie IMMER die Chip-Nummer 0 verwenden, also:

#define CHIP 0
...
h = lgGpiochipOpen(CHIP);  // open connection to I/O chip

C-Programme mit gpiod

Ab Kernel 6.6.45 müssen Sie IMMER "gpiochip0" verwenden, also:

char *chipname = "gpiochip0";
chip = gpiod_chip_open_by_name(chipname);
...

wiringpi

Die von Gordon Drogon entwickelte wiringpi-Bibliothek ist seit vielen Jahren veraltet (gilt bis Version 2.5).

2024 hat der Grazer Computer Club die Wartung der Bibliothek übernommen. Damit ist diese Bibliothek (jetzt in Version 3.0) wieder verwendbar! Weitere Informationen sowie Installationshinweise gibt es auf der GitHub-Projektseite:

https://github.com/WiringPi/WiringPi

Persönliche Anmerkung

Diese ganze Angelegenheit ist ein einziges Trauerspiel. Dass beim Raspberry Pi 5 anfänglich /dev/gpiochip4 als interne GPIO-Schnittstelle verwendet wurde (und nicht von Anfang an /dev/gpiochip0 wie bei früheren Raspberry-Pi-Modellen), war schon eine äußerst fragwürdige Entscheidung. Aber die Schnittstelle jetzt, fast ein Jahr nach dem Release des Raspberry Pi 5 und Raspberry Pi OS Bookworm, zu ändern, ist einfach irrsinnig.

Mit dem Kernel-Update funktionieren unzählige GPIO-Scripts von einen Tag auf den anderen nicht mehr. So etwas muss von vorne herein vermieden werden, und, wenn es denn gar nicht anders geht, viel viel besser kommuniziert werden. Die Maintainer der GPIO-Bibliotheken waren offenbar allesamt überrascht von der Änderung. Unprofessioneller geht’s nicht.

Hintergründe / Links

• https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=359302
• https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=361116
• https://github.com/domoticz/domoticz/issues/6040
• https://github.com/WiringPi/WiringPi/issues/280
• https://stackoverflow.com/questions/78452048/not-able-to-access-gpio-pins-on-my-raspberry-pi-5
• https://github.com/raspberrypi/linux/pull/6144
• https://github.com/gpiozero/gpiozero/issues/1166

Dieser Blog-Beitrag ist ursprünglich unter https://pi-buch.info/low-level-gpio-zugriff-geaendert-mit-kernel-6-6/ erschienen. Danke an Hr. Strohmayer, der mich als erster auf dieses Problem aufmerksam gemacht hat.

Dieser Artikel ist der Auftakt einer Mini-Serie, die sich mit der Script-Programmierung des Raspberry Pi 5 beschäftigt. Geplant sind drei Artikel:

• GPIO Reloaded I: Python (gpiozero, lgpio, gpiod, rpi-lgpio)
• GPIO Reloaded II: Bash (gpiod, gpioget, gpioset, pinctrl)
• GPIO Reloaded III: Kamera (rpicam-xxx, Picamera2)

Hinter den Kulissen hat sich mit der Vorstellung des Raspberry Pi 5 mehr geändert, als es in den ersten Testberichten den Anschein hatte. Schuld daran ist der neue I/O-Chip RP1, der unter anderem für die Kommunikation mit der GPIO-Leiste und der Kamera zuständig ist. Der RP1 bringt natürlich viele Vorteile mit sich (u.a. die Möglichkeit, zwei Kameras anzuschließen und größere Bild- bzw. Videomengen zu verarbeiten); er führt aber auch dazu, dass über Jahre etablierte Module und Kommandos nicht mehr funktionieren. Ja, die Raspberry Pi Foundation hat vorgearbeitet und empfiehlt schon eine Weile alternative Werkzeuge. Aber aus Bequemlichkeit blieben viele Programmierer bei langjährig bewährten Tools. Damit ist jetzt Schluss. Wer den Pi 5 als Maker-Tool nutzen will, muss umlernen.

Wo ist das Problem?

In der Vergangenheit gab es mehrere GPIO-Kommuniktionsmechanismen, z.B. das Lesen/Schreiben von sysfs-Dateien (sys/class/gpio) bzw. das direkte Verändern von Speicherbereichen. Diese Verfahren haben schon in der Vergangenheit oft Probleme bereitet. Beim Raspberry Pi 5 funktionieren sie schlicht nicht mehr. Neue Verfahren verwenden die lgpio-Bibliothek, die wiederum auf eine neue Kernel-Schnittstelle zurückgreift. Diese ist nach außen hin durch die Device-Dateien /dev/gpiochip* sichtbar.

Aus Python-Sicht ist insbesondere das Modul rpi.gpio betroffen. Es ist inkompatibel zum Pi 5 und es gibt anscheinend auch keine Pläne, den Code RP1-kompatibel zu reorganisieren.

Welche Alternativen gibt es?

Schon seit einiger Zeit empfiehlt die Raspberry Pi Foundation, das gpiozero-Modul zu verwenden. Es stellt für den Einstieg gut geeignete Klassen wie LED oder Button zur Verfügung, eignet sich aber auch für anspruchsvollere Maker-Aufgaben.

Wenn Sie sich partout nicht mit gpiozero anfreunden wollen, gibt es drei Alternativen: lgpio, gpiod und rpi-lgpio.

gpiozero

Das Python-Modul gpiozero macht die Steuerung von Hardware-Komponenten durch GPIOs besonders einfach. Für häufig benötigte Hardware-Komponenten gibt es eigene Klassen. Dazu zählen unter anderem:

• LED (Leuchtdiode ein-/ausschalten)
• PWMLED (Helligkeit einer Leuchtdiode mit Software Pulse Width Modulation steuern)
• RGBLED (dreifarbige LED, die über drei GPIO-Ausgänge gesteuert wird)
• TrafficLights (Kombination aus einer roten, gelben und grünen Leuchtdiode)
• MotionSensor (für PIR-Bewegungssensoren)
• LightSensor (Lichtdetektor)
• Button (Taster)
• Buzzer (Summer)
• Motor (zur Steuerung von zwei GPIOs für Vorwärts- und Rückwärts-Signale)
• Robot (zur Steuerung mehrerer Motoren)
• MCP3008 (für den gleichnamigen A/D-Converter)

Das Modul gpiozero ist umfassend dokumentiert:

https://gpiozero.readthedocs.io/en/latest

Ein Hello-World-Beispiel sieht so aus:

#!/usr/bin/env python3
from gpiozero import LED
import time
myled = LED(7)    # BCM-Nummer 7 = Pin 26 des J8-Headers
print("LED ein")
myled.on()
time.sleep(1)
print("LED aus und Programmende")
myled.off()

Dieses Script setzt voraus, dass Pin 26 der GPIO-Leiste (intern BCM/GPIO 7) über einen Vorwiderstand mit einer Leuchtdiode verbunden ist. Anstelle der GPIO-Nummer gibt es einige alternative Adressierungsverfahren, wobei Sie den gewünschente GPIO-Kontakt als Zeichenkette angeben:

# alternative, gleichwertige Schreibweisen
myled = LED(7)          # GPIO 7 = BCM-Nummer 7
myled = LED("GPIO7")    # GPIO 7 (Achtung, nicht "GPIO07")
myled = LED("BCM7")     # BCM 7  (nicht "BCM07")
myled = LED("BOARD26")  # Pin 26 auf der GPIO-Leiste des Boards
myled = LED("J8:26")    # Pin 26 des J8-Headers (= GPIO-Leiste)

lgpio

lgpio (der Projektname lautet noch kürzer lg) ist eine C-Bibliothek zur lokalen Steuerung der GPIOs. Das gerade erwähnte Modul gpiozero verwendet intern seit Version 2.0 die lgpio-Bibliothek. Alternativ stellt das gleichnamige lgpio-Modul eine direkte Python-Schnittstelle zur lgpio-Bibliothek her. Deren Funktionen sind Hardware-näher implementiert. Der GPIO-Zugriff verbirgt sich also nicht hinter Klassen wie LED oder Button, vielmehr werden die GPIO-Schnittstellen direkt angesprochen.

Ein Hello-World-Beispiel mit lgpio sieht so aus:

#!/usr/bin/env python3
import lgpio, time

# Zugriff auf /dev/gpiochip4 für RP1-Chip
handle = lgpio.gpiochip_open(4)

# Raspberry Pi 4 und früher:
# handle = lgpio.gpiochip_open(0)

# GPIO 7 = Pin 26 als Output verwenden
led = 7
lgpio.gpio_claim_output(handle, led)  

# LED zehnmal ein- und ausschalten
for i in range(10):
    print("LED ein")
    lgpio.gpio_write(handle, led, 1)
    time.sleep(1)
    print("LED aus")
    lgpio.gpio_write(handle, led, 0)
    time.sleep(1)

# nichts blockieren
lgpio.gpiochip_close(handle)

Beachten Sie, dass die Initialisierung des Handles für den GPIO-Zugriff je nach Modell variiert! Bei den älteren Raspberry-Pi-Modellen bis einschließlich 4B/400 müssen Sie handle = lgpio.gpiochip_open(0) ausführen. Beim Raspberry Pi 5 ist für die GPIO-Steuerung dagegen der neue RP1-Chip zuständig, den Sie mit gpiochip_open(4) ansprechen. (Die richtige Chip-Nummer stellen Sie am einfachsten mit dem Kommando gpioinfo aus dem Paket gpiod fest. Der hier benötigte Kontakt GPIO7 heißt in gpioinfo ein wenig verwirrend PIN7.)

Wenn Sie mit Python ein lgpio-Script schreiben wollen, das auf allen Pi-Modellen funktioniert, müssen Sie Code zur Erkennung des Pi-Modells integrieren.

Weiterer Codebeispiele finden Sie hier:

• https://abyz.me.uk/lg/examples.html
• https://discourse.ubuntu.com/t/how-to-use-gpio-pins-with-ubuntu-on-raspberry-pi/22009

rpi-lgpio

Was tun, wenn Sie Code für ältere Modelle entwickelt haben, den Sie nun für den Raspberry Pi 5 portieren möchten? Am schnellsten wird dies oft mit dem neuen Modul rpi-lgpio gelingen, das weitgehende Kompatibilität zu rpi.gpio verspricht.

Vor der Installation müssen Sie das in Raspberry Pi OS standardmäßig installierte Modul rpi.gpio installieren. Eine Parallelinstallation beider Module ist ausgeschlossen, weil rpi.gpio und rpi-lgpio den gleichen Modulnamen verwenden (import RPi.GPIO).

sudo apt remove python3-rpi.gpio

Da es in Raspberry Pi OS für rpi-lgpio kein fertiges Paket, installieren Sie dieses am einfachsten mit pip. Da es kein passendes Systempaket gibt, sind keine Konflikte zu erwarten. Wenn Sie die Option --break-system-packages dennoch vermeiden möchten, müssen Sie eine virtuelle Python-Umgebung einrichten.

pip install --break-system-packages rpi-lgpio

Das obige pip-Kommando installiert das Modul lokal, also nur für Ihren Account. Wenn Sie Ihr Script in einem anderen Account ausführen möchten (z.B. als Cron-Job), stellen Sie dem Kommando sudo voran und installieren so rpi-lgpio systemweit.

Nach diesen Vorbereitungsarbeiten sollten viele Ihre alten Scripts ohne Änderungen laufen. Einige Sonderfälle sind hier dokumentiert:

https://rpi-lgpio.readthedocs.io/en/release-0.4/differences.html

Die folgenden Zeilen zeigen einmal mehr eine Schleife zum Ein- und Ausschalten einer Leuchtdiode:

#!/usr/bin/env python3
# Das Script setzt voraus, dass vorher 
# rpi-lgpio installiert wurde!
import RPi.GPIO as gpio
import time

# BCM-GPIO-Nummern verwenden
gpio.setmode(gpio.BCM)

# LED an Pin 26 = GPIO 7 
gpio.setup(7, gpio.OUT)

# LED über Pin 26 fünf Mal ein- und ausschalten
for _ in range(5):
    print("LED ein")
    gpio.output(7, gpio.HIGH)
    time.sleep(1)
    print("LED aus")
    gpio.output(7, gpio.LOW)
    time.sleep(1)

# alle vom Script benutzten GPIOs/Pins wieder freigeben
gpio.cleanup()

gpiod

Das Python-Modul gpiod wird durch das Paket python3-libgpiod zur Verfügung gestellt, das unter Raspberry Pi OS standardmäßig installiert ist. Das Modul stellt eine Python-Schnittstelle zur Bibliothek libgpiod her. Diese Bibliothek ist wiederum eine Alternative zu der schon erwähnten lgpio-Bibliothek. Da es zum Python-Modul kaum Dokumentation gibt, ist gpiod nur für Entwickler von Interesse, die mit libgpiod bereits C-Programme entwickelt haben. Als Ausgangspunkt für eine eigene Recherche eignen sich die beiden folgenden Seiten:

• https://pypi.org/project/gpiod
• https://git.kernel.org/pub/scm/libs/libgpiod/libgpiod.git/about

Das folgende Minibeispiel zeigt, wie Sie eine LED an Pin 26 (GPIO 7) fünf mal ein- und ausschalten:

#!/usr/bin/env python3
import gpiod, time
chip = gpiod.Chip('gpiochip4')  # RP1 (Raspberry Pi 5)
led = chip.get_line(7)          # GPIO 7 = Pin 26 des J8-Headers
led.request(consumer="example", type=gpiod.LINE_REQ_DIR_OUT)

for _ in range(5):              # 5x ein- und ausschalten
    led.set_value(1)
    time.sleep(1)
    led.set_value(0)
    time.sleep(1)

Quellen/Links

• https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#gpio-and-the-40-pin-header
• https://gpiozero.readthedocs.io/en/latest/
• https://abyz.me.uk/lg/examples.html
• https://discourse.ubuntu.com/t/how-to-use-gpio-pins-with-ubuntu-on-raspberry-pi/22009
• https://pypi.org/project/gpiod
• https://git.kernel.org/pub/scm/libs/libgpiod/libgpiod.git/about