라즈베리파이 하드웨어 해킹 입문: GPIO, UART, I2C, SPI 통신

8장 Hardware Hacking 개요

Raspberry Pi에 GPIO, UART, I2C, SPI를 이용해 외부 device를 직접 제어하는 방법과, BCM2835 Peripheral Register를 직접 조작하여 LED를 켜는 실습까지 다룬다.

Raspberry Pi (+ Linux computer)

• Raspberry Pi는 GPIO, UART, SPI, I2C 등 여러 serial/parallel I/O 인터페이스를 지원
• Linux 기반이므로 shell에서 쉽게 접근 가능

GPIO (General Purpose I/O)

• Digital I/O pins: 외부 device와 control, detect signals 주고받음
• 각 pin: VCC, GND, 혹은 logic signal (3.3V, logic-level)
• 3.3V reference voltage

UART serial (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

• 2 wire signal line, asynchronous transmission: $t_r$, $t_s$

• TX (Transmit): PC → UART

• RX (Receive): UART → PC

• 기본 serial bus

• TX (transmitter): 데이터 전송

• RX (receiver): 데이터 수신

• 기본 UART setup 필요

I2C Bus (Inter-Integrated Circuits)

• SDA (Serial Data Line)
• SCL (Serial Clock Line)
• 2 wire bus
• Master-Slave 구조, 여러 slave device 연결 가능
• I2C-1: Raspberry Pi에서 사용 (기본 /dev/i2c-1)

SPI Bus — Serial Peripheral Interface

Synchronous bus, 4 wires

• MOSI (Master Out Slave In): SPI master output, slave input
• MISO (Master In Slave Out): SPI master input, slave output
• SCLK: Serial Clock
• SS/CE (Slave Select / Chip Enable): SPI slave를 선택

Limitations of Raspberry Pi using GPIO

• 총 wire의 수를 신경 써야 함 → Raspberry Pi 기준 총 26 or 40 pin
• 각 pin 간 타이밍/전기적 특성도 고려

wiringPi

• WiringPi: C 라이브러리, GPIO control
• Command line: gpio readall 등 편리한 명령어 제공

LED Circuit

• LED는 3.3V나 5V로 동작
• 저항(resistor, 220~330Ω)을 직렬 연결해 current limiting
• GPIO pin을 High로 하면 LED ON, Low로 하면 OFF

Makefile

LEDs: LEDs.c
    gcc -Wall -o LEDs LEDs.c -l wiringPi

BCM2835 ARM Peripherals

Broadcom BCM2835(Raspberry Pi의 SoC)의 peripheral register 구조:

• Peripheral addressing: Physical Address (PA)가 특정 offset에서 peripheral register에 매핑됨
• ARM Physical Address: 0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF 중 peripheral 영역은 0x20000000대

GPIO Bus Address Layout

• BCM2835: GPIO base = 0x20200000 (Raspberry Pi 1) / 0x3F200000 (Raspberry Pi 2/3)
• GPIO의 각 기능 register가 offset 기준으로 배치됨

Register View

• GPFSEL: Pin function (input/output/alternate)
• GPSET: Set pin HIGH
• GPCLR: Clear pin to LOW

Register Map (GPFSEL x)

각 GPFSEL register는 10개 pin × 3 bits = 30 bits를 사용해 function을 설정.

• 000 = Input
• 001 = Output
• 010~111 = Alternate function (UART, I2C, SPI 등)

pinMode Function

void pinMode(uint8_t pin, uint8_t mode) {
    uint8_t gpfsel = pin / 10;
    uint8_t offset = (pin % 10) * 3;
    uint32_t mask = 0b111 << offset;
    *(gpio + gpfsel) = (*(gpio + gpfsel) & ~mask) | (mode << offset);
}

예: pin 4를 output으로 설정하려면 GPFSEL0의 bit[14:12]를 001로.

digitalWrite Function — 예제

if (value == HIGH)
    *(gpio + gpioToGPSET[pin]) = 1 << (pin & 31);
else
    *(gpio + gpioToGPCLR[pin]) = 1 << (pin & 31);

같은 원리로 구현 (GPSET/GPCLR는 비슷).

예제: Pin에 따른 값 계산

• Pin 0일 때 gpioToGPSET = 7 → 0x7E20_001C

  • pin & 31 → pin = 0000_0000_0000_0000, 31 = 0000_0000_0001_1111 → AND = 0000_0000_0000_0000
  • 1 << 0 → 0000_0000_0000_0001

• Pin 32일 때 gpioToGPSET = 8 → 0x7E20_0020

  • pin & 31: pin = 0000_0000_0010_0000, 31 = 0000_0000_0001_1111 → AND = 0000_0000_0000_0000
  • 1 << 0 → 0000_0000_0000_0001

• Pin 45일 때 gpioToGPSET = 8 → 0x7E20_0020

  • pin & 31: pin = 0000_0000_0010_1101, 31 = 0000_0000_0001_1111 → AND = 0000_0000_0000_1101 = 13 (10진수)
  • 1 << 13 → 0010_0000_0000_0000 (16-bit, 앞 16 bit는 0)

정리

Raspberry Pi의 GPIO를 HW 레벨에서 직접 제어하는 경험은 이후 임베디드 SoC (Cortex-M3, STM32) 작업의 기반이 된다.