GPIOって何?Raspberry Pi の各パーツの名称と機能、必要な周辺機器

haruki
Raspberry Piを始めたいけど、端子がいっぱいあって、どこに何を差し込めばいいの?何が必要なの?
そんな悩みを解決します

Raspberry Pi の各パーツの名称と機能

1. SoC (CPU)

SoC (System on a Chip) とは主要な部品を1つにまとめたICのことで、 Raspberry Pi の核となる部品です。

Raspberry PiSoCには、CPUGPU USBコントローラ、チップセットなどが1つにまとまっています。

SoCに内蔵するCPUとしてARMプロセッサー ARM1176JZF-S」または「Cortex-A7」「Cortex-A53」「Cortex-A72」を格納しています。 ARMプロセッサーは携帯電話やPDA、組み込みシステムなどでよく利用されており、低消費電力で動作するのが特徴です。

なお、Raspberry Pi 3で採用している Cortex-A53は省電力版で、性能を抑える代わりに電力消費が少なくなっています。一方、Raspberry Pi 4 Model B で採用している Cortex-A72は省電力版ではなく、フルに性能を発揮することが可能です。

2. 電源端子

電源端子に電源を接続することでRaspberry Piに電気を供給します。 Raspberry Pi 4 Model B ではUSBType-C を、それ以外の Raspberry Pi microUSB端子となっています。 それぞれに合わせて接続するケーブルが異なります。

3. USBポート

USBポートには、キーボードなどのUSB機器を接続できます。 Raspberry Piは、 Model B/B + 4ポート(初代Raspberry Pi 2ポート) Model A/A+1ポート搭載しています。 Raspberry Pi 4 Model Bに搭載されているUSBポートのうち、2ポートはUSB 3.0対応で高速通信が可能です。 Model A / A+ には1ポートしかないため、 複数の機器を接続する場合はUSBハブを利用する必要があります。

4. HDMI 端子

HDMI対応のディスプレイやテレビに接続することで、Raspberry Piの画面を表示できます。 Raspberry Pi 4および Raspberry Pi Zero / Zero W以外のRaspberry Pi には、フルサイズのHDMI (Type-A) 端子が備わっています。

Raspberry Pi 4Micro HDMI (HDMIマイクロ) を採用しています。 一般的なディスプレイに接続するには、Micro HDMI をフルサイズのHDMI端子に変換するアダプタやケーブルを使う必要があります。

Raspberry Pi 4HDMI出力が2系統用意されており、複数のディスプレイに接続してマルチディスプレイで利用することも可能です。

Raspberry Pi ZeroMini HDMI (HDMI ミニ) を採用しています。 一般的なディスプレイに接続するにはフルサイズのHDMI端子に変換するアダプタや変換ケーブル等が必要です。

5. オーディオ、コンポジット出力

コンポジット出力とオーディオ出力が3.5 ジャックにまとめられています。 オーディオ出力は一般的な3.5ステレオプラグをそのまま差し込むことで出力されます。 コンポジット出力する場合は、3系統の出力できるケーブルが必要です。 Raspberry Pi Zeroはオーディオ出力ジャック非搭載です。

6. ディスプレイシリアルインタフェース (DSI Display Serial Interface)

DSI を搭載する液晶やELディスプレイなどに Raspberry Pi の画面を表示する端子です。

7. ネットワークインタフェース

ネットワークインタフェースにネットワークケーブルでブロードバンドルータなどに接続することで、 家内ネットワークやインターネットへアクセスできます。 Raspberry Pi 4 はギガビットイーサネットを搭載しています。Raspberry Pi 41Gbps 近くの速度で通信が可能です。 一方 Raspberry Pi 3 はネットワークアダプタがUSB 2.0に接続されているため、 300Mbps程度の速度に制限されます。 そのほかのネットワークアダプタを搭載したRaspberry Pi は最大100Mbpsで通信ができます。

Raspberry Pi Model A / A+ / 3A+ / Zero / Zero W/Zero 2 W には搭載されていません。

8. カメラシリアルインタフェース (CSI: Camera Serial Interface)

CSIインタフェースを搭載するカメラモジュールを接続することで、 写真や動画が撮影できます。

Raspberry Pi Zero は一回り小さい端子なので専用の変換ケーブルが必要です。

9. GPIO (General Purpose Input/Output)

デジタル入出力などができる端子です。 ここに電子回路を接続することで、LEDを点灯したり、 センサーの値を読み込んだりできます。 またRCSPIUARTの端子としても利用可能です。

Raspberry Pi Zeroには端子が搭載されていないため、 ユーザーがはんだ付けする必要があります。なお、あらかじめピンヘッダが取り付けられたRaspberry Pi Zero WHを購入すればはんだ付けは不要です。

10. SD (microSD) カードスロット

OSなどを格納しておいたSDカード (microSDカード) を差し込みます。 Raspberry Pi は差し込んだSDカード内に入っているOSを起動します。

11. PoE 端子

Raspberry Pi PoE HAT を取り付けることで、有線LANから電源を供給できるようになります。 なお、PoEで電源を供給するにはPoE対応のネットワークハブが必要です。

必要な周辺機器を準備しよう

Raspberry Pi本体を購入しても、それだけでは利用できません。 電源を供給する ACアダプターやディスプレイなどの周辺機器の準備が必要です。 必要な主要な周辺機器は次の通りです。

・電源ケーブル

ACアダプター

・キーボード (USB接続)

・マウス (USB接続)

Ethernet ケーブル (カテゴリー3以降)

・ディスプレイ

HDMIケーブル

microSDカード

Raspberry Piのケース

電源ケーブルとACアダプター(raspberry Pi 4)

Raspberry Pi 4の電源端子はUSB Type-Cです。 ここにACアダプターなどを接続することでRaspberry Piを動作させられます。 電源ケーブルとACアダプターを選択する場合に注意が必要なのが、「コネクタの形状」 「電流量 です。

Raspberry Pi 43A (アンペア) の電流供給が推奨されています。これに満たない電流量しか供給できないACアダプターではRaspberry Pi 4の動作が安定せず、 突然電源が切れるなどといった恐れがあります。

ACアダプターは必要電流量以上の供給機能があれば問題なく使えます。 例えばRaspberry Pi 45AACアダプターを使用しても問題ありません。

電源ケーブルは、 一端がType-C (Raspberry Pi 4) であることが必須です。 もう一端のACアダプタ一へ接続する側は、ACアダプターの形状に合わせて用意します。

Raspberry Pi 4 で利用する電源ケーブルは、両側がType-CあるいはType-A (ACアダプター側)-Type-C (Raspberry Pi 4) のケーブルを用います。

ケーブルが3A (15W) の電流を流せることも確認しましょう。

一部の安価なケーブルには大電流に対応できないものがあります。 

未対応ケーブルは電源供給できないだけでなく、火災の恐れもあるので注意してください。

電源コードやACアダプターの選択に不安がある場合は、 Raspberry Pi 4推奨の製品を購入するのも1つの手です。

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電源ケーブルとACアダプター (Raspberry Pi4以外)

Raspberry Pi 4 以外の Raspberry Piは、電源コネクタの形状はUSB micro-B (microUSB) です。 ここに電源ケーブルを介してACアダプターなどから電源を供給します。

Raspberry Pi 4とは形状が異なるので注意してください。

Raspberry Pi は、 必要な電流量がモデルによって異なります。 例えば Raspberry Pi32.5A Raspberry Pi 21.8Aです。

これ以上の電流を供給できるACアダプターを選択するようにします。 ACアダプターは「必要以上の供給能力」 があれば問題なく使えます。 例えば2.5Aが必要な機器に対して、 3AACアダプターから電源供給することは問題ありません。

 

キーボードとマウス

キーボードとマウスは、 Raspberry PiUSB端子に接続します。 Raspberry Pi 4 の場合はUSB3.0USB2.0が搭載されていますが、どちらに接続しても問題ありません。

Raspberry Pi Model A および A+ Raspberry Pi 3 Model A+USBポートが1つです。 複数のUSB機器を利用する場合はUSBハブを接続して利用します。

Raspberry Pi Zero USB端子の形状が microUSBで、端子が1つです。 キーボードやマウスを利用する場合は、 microUSB接続のUSBハブを接続して利用します。

Raspberry Pi 4  Raspberry Pi 3Raspberry Pi Zero にはBluetoothが搭載されています Bluetooth機能を利用してキーボード・マウスを接続することも可能です。

ただし、Raspberry PiOSのインストールおよび Bluetooth機器の接続設定にUSBマウス キーボードが必要です

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ディスプレイとディスプレイケーブル

Raspberry Piには画面出力の3つのインタフェースが搭載されています。また、GPIOを使って画面出力することも可能です。

HDMI (High-Definition Multimedia Interface)

HDMIは、高精細度マルチメディアインタフェースです。 映像だけでなく音声転送にも対応しています。 パソコンとディスプレイを接続するだけでなく、HDDレコーダーやゲーム機など、様々な機器の接続に利用されています。 

HDMI 端子は、パソコン用ディスプレイだけでなく最近のテレビにも搭載されていますので、パソコン用ディスプレイがなくても、テレビに Raspberry Piをつないで利用できます。

Raspberry Pi 3 Model B+ (Zero / Zero W / Zero 2W を除く)以前は通常のType-A HDMIですが、

Raspberry Pi 4 Micro HDMI (HDMIマイクロ) です。 HDMI-micro-HDMIケーブルを利用するか、 変換コネクタ・ケーブルなどを用いる必要があります。

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Raspberry Pi Zero / Zero W/Zero 2 W HDMI端子の形状が Mini HDMI (HDMIミニ) です。 HDMI-MiniHDMIケーブルを利用するか、変換コネクタ・ケーブルなどを用いる必要があります。

コンポジット出力

コンポジットとは、テレビのビデオ端子に接続する方式です。ほとんどのテレビに搭載されており、テレビを手軽にディスプレイとして利用できる利点があります。 Raspberry Pi Zero / Zero Wも、右上のTV端子にはんだ付けすることで出力可能です。 ただし、アナログテレビの解像度で表示されるため画面解像度が低く、表示がぼやけてしまいます。 そのためあまり実用には向いていません。

ディスプレイシリアルインタフェース (DSI : Display Serial Interface)

ディスプレイシリアルインタフェースは、高速シリアル通信で映像を送信するインタフェースです。 組み込みデバイスに使われる液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどに採用されている規格です。 Raspberry Piの公式タッチパネルディスプレイを利用する場合は、ここにケーブルを差し込みます。

GPIO (DPI : Display Parallel Interface)

DPIGPIOの各端子をディスプレイ出力に利用して高速で画面表示する方式です。 利用するGPIOの端子数は、 表示する色数によって異なります。 各色8ビットで表示する場合は、 GPIO28端子利用します。 多数のGPIO端子を使用するため、 DPIで画面出力する場合は電子部品の制御を同時に行うことはできません。

DPIは、一部のRaspberry Pi用のディスプレイで採用されています。

HDMI出力を利用したディスプレイへの接続について説明します。 パソコンディスプレイやテレビを確認して、HDMI入力端子を確認しましょう。 HDMI入力端子があれば Raspberry Piを接続して画面表示できます。

Raspberry Pi 4HDMI出力端子はMicro

HDMI (HDMIマイクロ) です。 通常、 テレビやディスプレイ側のHDMI入力端子はフルサイズ (Type-A) HDMIですので、 片側がMicro HDMI でもう片側がType-A HDMIケーブルを用意する必要があります。 あるいは両端がフルサイズHDMIのケーブルに、 MicroHDMIへの変換コネクタを装着してRaspberry Pi 4 に接続します。

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Raspberry Pi 4 には2系統のMicroHDMI出力端子がありますが、ディスプレイを1台だけ接続する場合はどちらの端子につないでもかまいません。

Raspberry Pi 4以外Raspberry Pi (Zero /Zero W/Zero 2 Wを除く

HDMI出力端子はフルサイズのHDMIです。両端がフルサイズのHDMIケーブルを使用します。

HDMI-DVI 変換ケーブルの例Raspberry Pi Zero / Zero W / Zero 2WHDMI出力端子がMini HDMI (HDMI ミニ) です。 変換アダプタなどを用いて接続します。

ディスプレイにHDMI入力端子がない場合でも、DVI入力やD-SUB (VGA) 入力があれば、 変換アダプタ・ケーブルなどを利用して表示できることがあります。 ディスプレイやテレビ側にDVI入力端子がある場合は、「HDMI-DVI 変換ケーブル」 を利用します。 1,000円程度で購入が可能です。

一方、ディスプレイやテレビ側にD-SUB (VGA) がある場合は、変換アダプタを経由して信号をHDMIからVGAに変換する必要があるため、専用の変換器を利用します。変換器は約2,000円程度で購入可能です。 ただし信号の変換するため、低解像度になったり、画質が落ちたりする恐れもあります。

Raspberry Pi 4でディスプレイに表示されない場合

なお、HDMIで出力する場合は、ディスプレイ・テレビ側にスピーカーがあれば音声出力もできますが、DVID-SUBへ変換アダプタ ケーブルを利用して出力した場合は音声出力は利用できません。

マルチディスプレイでの表示

Raspberry Pi 4 2台のディスプレイを利用する場合は、各Micro HDMI 端子にディスプレイを接続して利用します。

Raspberry Pi 4HDMI出力が2つあり、2台ディスプレイを接続できます。しかし、接続するディスプレイによっては正しく表示されないことがあります。 ディスプレイに実装されている「EDID」という機能を利用して自動認識しているのですが、初期化がうまくいかずに画面表示されないことがあります。 そのような場合は次の方法を試してみましょう。

1.HDMI-1 (基板の上から見て右側端子) に接続して表示されなかったディスプレイを、HDMI-0 (左側) に接続して起動します。
2. Raspberry Piの起動用 microSDカードの boot フォルダー内にある boot.txt をテキストエディタで編集し、下の内容を追記します。
hdmi_force_hotplug = 1
hdmi_group = 2
3. EDID を使わないでディスプレイを表示するように設定します。 Raspberry Pi の起動用 microSDカードの「boot フォルダー内にある「boot.txt をテキストエディタで編集し、右の内容を追記します。
hdmi_ignore_edid=0xa5000080
hdmi_mode=82

この方法を試してみてなお表示できない場合は、 Raspberry Piとディスプレイとの相性が悪くて表示できない恐れがあります。 その場合は、他のディスプレイを利用することをお勧めします。

ネットワークケーブル

Raspberry Piでネットワークへ接続するには、Raspberry Pi Ethernetポートへ Ethernetケーブルを接続します。

Raspberry Pi 4 3 Model B/B+ / A+ Zero W / Zero 2 Wには無線LANアダプタも搭載されています。 LANケーブルを用意しなくてもネットワークに接続が可能です。

Raspberry Piは機種によって最大通信速度が異なります。 Raspberry Pi 41Gbpsで通信可能な1000BASE-TXに対応しています (ただし3B+は最大300Mbps)。それ以前のRaspberry Pi は最大100Mbpsで通信が可能な「100BASE-TX」という規格が利用できます。

Ethernet ケーブル(カテゴリー6) の例

Ethernet ケーブルには対応通信速度に応じた規格(「カテゴリー」) があります。 1000BASE-TXに対応するのはカテゴリー6 100BASE-TXに接続するにはカテゴリー5以上のケーブルが必要です。 なお Raspberry Piの通信自体は10BASE-Tにも対応しているので、カテゴリ-3以上のケーブルであれば通信可能です (ただし最大通信速度は10Mbpsに制限されます)

現在市販されている多くのEthernet ケーブルはカテゴリー6が多いので、これらを購入しておけば大丈夫です。 

1mのカテゴリー6Ethernetケーブルは約300円程度で購入可能です。

POINT Raspberry Pi Model A+ Raspberry Pi Zeroの場合

Raspberry Pi ModelA+ および Raspberry Pi Zero には Ethernetポートが搭載されていません。 ネットワークに接続する場合は、別途USB接続のネットワークアダプタや無線LANアダプタなどを接続して利用します。

microSD カード

現行のRaspberry Pi では、 microSDカード」 を記憶メディアとして使用しています (旧機種にはSDカードを使用するものがありました) microSDカードに記録したOSからシステムを起動します。 microSDカードはRaspberry Piの裏面 (Raspberry Pi Zeroは表面、Raspberry Pi 4は背面) にあるSDカードスロットに差し込みます。

用意する microSDカードの容量ですが、 Raspberry Piの利用用途によって必要なmicroSDカードの容量が異なります。

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例えば、 アプリやライブラリを追加しないで使用するのであれば、8GバイトのmicroSDカードで十分でしょう。 動画や音楽ファイルなど比較的大きなサイズのファイルをRaspberry Pi上で扱う場合は、それらを保存する領域を有する microSDカードが必要です。

Raspberry Pi OS を利用し、Webサーバーを設置したり電子工作したりする程度であれば、 16G バイトのmicroSDカードで十分です。

16GバイトのmicroSDカードであれば1,000円程度で購入が可能です。

Raspberry Pi のケース

Raspberry Piの運用に必須ではありませんが、Raspberry Pi用ケースを用意することをおすすめします。

Raspberry Piは基板がむき出しの状態で、各部品に直接触れることができます。 誤って基板に物を落としたり液体をこぼしたりしてしまうと、 基板に傷が付いたり、部品が壊れたりする恐れもあります。

特に、電子部品を扱うときには危険性が増します。

電子部品は数cm程度の小さな電導性のある端子を備えています。 抵抗などでは5cm程度の長い端子が付いています。 この部品がRaspberry Piの下に入り込んだりすると、予期せぬ電気が流れ Raspberry Pi が停止してしまいます。場合によっては、基板上の部品が壊れる危険性もあります。 Raspberry Piをケースに入れておくことで、これらの危険から守ることができます。

ケースは、 Raspberry Piを販売している店舗の多くで取り扱っており、1,000円程度で購入可能です。なお、ケースによって対応するRaspberry Pi のモデルが決まっている場合がありますので、購入する際には注意しましょう。

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次はRaspberry PiのOSをインストールしていきましょう

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