GPIO4（ジーピーアイオーフォー）

概要

GPIO4（General Purpose Input/Output 4）は、Raspberry Pi、ESP32、Arduino などの開発ボードで採用されている汎用入出力ピンの一つです。デジタル入力・出力はもちろん、PWM（Pulse‑Width Modulation）や I²C、SPI などの通信プロトコルを切替えて利用できるため、センサー接続や LED 制御、モーター制御など IoT や組み込み開発の基礎として頻繁に使用されます。GPIO4 は 3.3 V ロジックレベルで動作し、必要に応じて 5 V ターボレベルの入力も許容します。

主な特徴・仕組み

• 汎用性：デジタル入出力だけでなく、PWM、I²C、SPI など複数の機能を切替可能
• ロジックレベル：3.3 V 標準、5 V 入力許容（GPIO4 での 5 V ターボ入力は注意が必要）
• ピン数：40 ピンヘッダーの 4 番目に位置し、他ピンと同様に簡単にアクセス
• 電流制限：1 A までの電流を安全に扱える設計（内部抵抗で過電流保護）
• プルアップ/プルダウン：内部に 50 kΩ プルアップ／10 kΩ プルダウン抵抗を備える
• クロック：システムクロック 16 MHz で動作し、PWM 周波数は最大 1 MHz
• I²C バス：SDA/SCL で 1 MHz の高速通信が可能
• SPI バス：MOSI/MISO/SCK で 10 MHz までの高速転送
• PWM 分解能：8 ビット（256 レベル）でデューティ比を細かく制御
• 電圧範囲：1.8 V から 3.6 V までの範囲で安定動作
• 安全性：過電流保護により 2.5 A までの安全電流制限
• 拡張性：外部モジュールやセンサーと簡単に接続でき、次世代 IoT プロジェクトに適合

スペック/製品比較表

具体例・対応製品

• Raspberry Pi 4 Model B：GPIO4 を使って温度センサー（DS18B20）を読み取り、PWM で LED を点滅させる
• ESP32‑S2：GPIO4 を I²C バスに設定し、OLED ディスプレイを制御
• Arduino Mega 2560：GPIO4 を SPI で SD カードに接続し、データロギング
• STM32F103C8T6：GPIO4 を PWM 出力に設定し、サーボモーターを制御
• Teensy 4.1：GPIO4 を高速 I²C に設定し、複数のセンサーを同時に読み取る
• Raspberry Pi Pico：GPIO4 を UART に設定し、シリアル通信でマイクロコントローラを制御
• ESP8266 NodeMCU：GPIO4 をデジタル出力に設定し、LED を点灯
• Arduino Nano 33 IoT：GPIO4 を I²C バスに設定し、BLE モジュールと連携

自作PCでの選び方・注意点

1. 電圧互換性：GPIO4 は 3.3 V が標準。5 V ターボ入力はピン単位で確認
2. 電流容量：1 A までの電流を安全に扱えるが、実際は 20 mA 以内に抑える
3. プルアップ/プルダウン：内部抵抗は 50 kΩ／10 kΩ。外部抵抗を追加して安定化
4. クロック設定：PWM 周波数は 1 MHz まで。高周波でノイズが増える場合は低減
5. I²C バス長：最大 1 m まで推奨。長距離はフェイルセーフ回路を追加
6. SPI バス速度：10 MHz まで。高速転送時はレジスタのタイミングを確認
7. 温度管理：GPIO4 の周辺に高温デバイスを配置すると信号品質が低下
8. 電源安定化：5 V / 3.3 V のレギュレータを十分にフィルタリング
9. PCB 配線：短く、直線的に配線し、ノイズ対策を行う
10. 保護回路：過電圧保護 IC を追加し、GPIO4 を安全に保つ

関連用語との違い

• GPIO5：GPIO4 と同様に汎用ピンだが、I²C の SDA/SCL ではなく、SPI の MOSI など別機能に割り当てられる
• UART：シリアル通信専用ピンで、GPIO4 とは異なる通信プロトコル
• PWM：GPIO4 が持つ機能の一つ。PWM はデジタル出力のデューティ比を制御するための特化機能
• I²C：GPIO4 が切替可能なバスプロトコルの一つ。データ転送速度は 400 kHz から 1 MHz まで
• SPI：高速シリアル通信プロトコル。GPIO4 は MOSI/MISO/SCK の一部として機能

よくある質問（FAQ）

Q1. GPIO4 で 5 V を直接入力しても大丈夫ですか？
A1. 5 V ターボ入力は一部のボードで許容されますが、ボードごとに仕様が異なるため、必ずデータシートで確認してください。
Q2. GPIO4 を PWM と I²C で同時に使うことは可能ですか？
A2. 同時に使用する場合、ピンの機能切替をプログラムで行う必要があります。I²C の通信中に PWM を出力すると通信が乱れる可能性があります。
Q3. GPIO4 の最大電流は何アンペアですか？
A3. 一般的には 1 A まで安全に扱えますが、実際の使用では 20 mA 以内に抑えることが推奨されます。

まとめ

GPIO4 は、3.3 V 標準のロジックレベルで動作し、PWM、I²C、SPI など多彩な機能を切替できる点が大きな魅力です。最新の 2025 年モデルの Raspberry Pi 4 では 1 MHz の高速 I²C と 10 MHz の SPI が実装され、次世代の IoT プロジェクトでの活躍が期待されます。2026 年に登場する ESP32‑S3 では GPIO4 の電圧範囲が 1.8 V から 3.6 V まで拡張され、さらに多様なデバイスとの互換性が向上します。自作PCや組み込みシステムを構築する際は、電圧互換性・電流容量・プルアップ抵抗などを確認し、安定した動作を確保してください。GPIO4 は IoT や組み込み開発の基盤として、今後も長く活躍し続けるでしょう。