📌 はじめに

Raspberry Pi 5 のGPIOを扱う場合、これまでのModel A/B/3 ...の手法は使えず、かと言って現時点（2025/03/10)まとまった正規ドキュメントがなく、手探り状態でした。
そこで手がかりのあった、pinctrl commandをハックしてC言語からGPIOを操作し、ついでそれをもとにmmemを直接操作するライブラリ libgpiommem.soを制作し公開します。

📌 これまでの方法

これまで試行錯誤した Raspberry Pi 5 の GPIO 操作手法と、その結果 (成功/失敗) をまとめます。

📌 Raspberry Pi 5 GPIO 操作の試行錯誤まとめ

方法	目的	結果	理由・問題点
`sysfs GPIO` (`/sys/class/gpio/`)	`echo 21 > /sys/class/gpio/export` で GPIO21 を制御	❌ 失敗	Raspberry Pi 5 では `sysfs` GPIO が無効化されている (カーネル仕様変更)
`libgpiod` (`gpioset`, `gpioinfo`)	`libgpiod` を使用し、GPIO21 を ON/OFF	❌ 失敗	`gpiochip571` などが `gpioinfo` に表示されない (`/dev/gpiochipX` が見つからない)
`pinctrl` を使った手動制御 (`pinctrl set 21 hi`)	`pinctrl` コマンドで GPIO を制御	✅ 部分成功	GPIO のモード (`op`) は変更できたが、`mmap` との連携が不完全
`/dev/mem` + `mmap` (`devmem2` を使ったレジスタ操作)	`devmem2` で GPIO のレジスタを直接変更	❌ 失敗	Raspberry Pi 5 ではレジスタ構成が異なる (`RP1-PIO`) ため、従来の `devmem2` では動作せず
`/dev/gpiomemX` (`gpiomem0` ~ `gpiomem4`)	`/dev/gpiomemX` を使って GPIO 制御	❌ 失敗	Raspberry Pi 5 では `/dev/gpiomemX` が使えない (`/dev/gpiomem` 自体が非推奨)
`gpiod_ctxless_set_value()` (`libgpiod` の C API)	`gpiod_ctxless_set_value()` で GPIO を制御	❌ 失敗	`gpiod_chip_open_by_name("gpiochip571")` がエラー (`No such file or directory`)
`pigpio` (`pigpiod` デーモンを使った GPIO 操作)	`pigpio` を使って GPIO 制御	❌ 失敗	`pigpiod` が Raspberry Pi 5 に対応していない (`gpioHardwareRevision: unknown rev code`)
`rpio` (`rpio` ライブラリを使った GPIO 制御)	`rpio` で GPIO を制御	❌ 失敗	`rpio` が Raspberry Pi 5 に未対応 (`E: パッケージ rpio が見つかりません`)
`pinctrl` のソースコードをハック	`pinctrl` のコードを修正し、GPIO の制御を可能に	✅ 成功！	GPIO を `mmem` で直接操作する方法を確立！ (`libgpiommem`)
`mmem` を使った GPIO 高速制御 (`libgpiommem`)	`mmem` で GPIO レジスタを直接操作	✅ 成功！	15MHz 以上の高速 GPIO 制御に成功 (`libgpiommem` としてライブラリ化)

正に、死屍累々、試してはNG、試してはNGの繰り返して疲弊すました。

📌 pinctrl とは

raspberry pi utilsに含まれるプログラムです。

先に上げた、方法とは違いラズパイ５でも動作します。
ところが、あくまでLinux commandですから、Cからsystem()で呼び出しても、速度は出ません。でも pinctrl内部では、mmem()を使ってkernel memryを直に操作しているので、その操作をそっくり真似てGPIOを制御できるはずです。

📌 手順

https://github.com/raspberrypi/utils
上記からソース一式をいただき展開します。
使用するのは utils/pinctrl だけです。

bash

cd utils
cp -r pinctrl libgpiommem
cd libgpiommem

📌 Makefile を用意する

utilはCmakeで管理されていますが、単一のlibraryなのでmakeで独立に管理します。

Makefile

CC = gcc
CFLAGS = -O2 -Wall -fPIC
LDFLAGS = -shared
PREFIX = /usr/local
LIB_NAME = libgpiommem
SRC_FILES = util.c gpiolib.c gpiochip_bcm2835.c gpiochip_bcm2712.c gpiochip_rp1.c
OBJ_FILES = $(SRC_FILES:.c=.o)
HEADER_FILES = gpiolib.h

all: libgpiommem.so

libgpiommem.so: $(OBJ_FILES)
        $(CC) $(LDFLAGS) -o $@ $(OBJ_FILES)

%.o: %.c
        $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

install:
        install -d $(PREFIX)/lib $(PREFIX)/include
        install -m 755 libgpiommem.so $(PREFIX)/lib/
        install -m 644 $(HEADER_FILES) $(PREFIX)/include/

clean:
        rm -f *.o *.so

📌 公開

本来は、ここで試験を行いますが、今回試験済みなので後回しにして公開します。
マシンの別の場所からも参照できるようになります。

bash

sudo make install
echo "/usr/local/lib" | sudo tee -a /etc/ld.so.conf.d/libgpiommem.conf
sudo ldconfig

📌 試験プログラムを書きます

任意の場所に作業用Dirを作って移動します。

bash

mkdir gpiommem
cd gpiommem

📌 はじめはLチカ

サンプルプログラムを書きます。

t_gpio_out.c

// MIT License.
// Copy right 2025 by Shigeru Makino.

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <gpiolib.h>

#define LED_GPIO 21  // LED 用 GPIO

int main() {
    int ret;

    ret = gpiolib_init();
    if(ret < 0){
        printf("fail gpiolib_init = %d\n", ret);
        return -1;
    }

    ret = gpiolib_mmap();
    if(ret < 0){
        printf("fail gpiolib_mmap = %d\n", ret);
        return -1;
    }
    gpio_set_fsel(LED_GPIO, GPIO_FSEL_OUTPUT);

    printf("Blinking LED on GPIO %d...\n", LED_GPIO);

    while (1) {
        gpio_set_drive(LED_GPIO, 1);
        usleep(50000);
        gpio_set_drive(LED_GPIO, 0);
        usleep(50000);
    }

    return 0;
}

📌 make します

こちらにもMakefileをつくります。

Makefile

all: t_gpio_out

t_gpio_out: t_gpio_out.c
	gcc -o t_gpio_out t_gpio_out.c -lgpiommem

makeします。

bash

make
sudo ./t_gpio_out

📌 動作試験

GPIO21にLED+330ΩをつけLチカを確認してください。
usleep(50000)を調整すると周期が変わります。取ってしまったら、ocillo scopeでみて約20MHzでした。

📌 入出力試験

先立って、Libの開発とサンプルの開発を分けましょう。

bash

mkdir ../gpiommem_test
cp t_libgpiommen.c ../gpiommem_test
cd ../gpiommem_test

📌 入出力試験

出力を確かめたので、入力も試験します。

t_gpio_io.c

// MIT License.
// Copy right 2025 by Shigeru Makino.

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#include "gpiolib.h"

int main()
{
    int input = 0;

    unsigned int gpio20 = 20;
    unsigned int gpio21 = 21;
    int ret;

    ret = gpiolib_init();
    if(ret < 0){
        printf("fail gpiolib_init = %d\n", ret);
        return -1;
    }

    ret = gpiolib_mmap();
    if(ret < 0){
        printf("fail gpiolib_mmap = %d\n", ret);
        return -1;
    }

    gpio_set_fsel(gpio20, GPIO_FSEL_INPUT);
    gpio_set_pull(gpio20, PULL_UP);

    gpio_set_fsel(gpio21, GPIO_FSEL_OUTPUT);
    gpio_set_pull(gpio21, PULL_NONE);
    gpio_set_drive(gpio21, DRIVE_LOW);


    while(1){
        input = gpio_get_level(gpio20);
        if (input == 0) {
            gpio_set_drive(gpio21, DRIVE_HIGH);
        }
        else {
            gpio_set_drive(gpio21, DRIVE_LOW);
        }
    }

    return 0;
}

Makefilを改造します。

Makefile

all: t_gpio_out t_gpio_io

t_gpio_out: t_gpio_out.c
	gcc -o t_gpio_out t_gpio_out.c -lgpiommem
t_gpio_io: t_gpio_io.c
	gcc -o t_gpio_io t_gpio_io.c -lgpiommem

clean:
	rm t_gpio_out t_gpio_io

bash

make
sudo ./t_gpio_io

GPIO20とGPIO21をショートするとリングカウンターになり発振します。周波数は225kHzでした。

📌 まとめ

⚡ 他の従来の方法 (sysfs, libgpiod, /dev/gpiomem, pigpio, rpio) はすべて動作せず！
🔧 最終的に pinctrl をハックし、libgpiommap を構築することで問題を解決！