PIO-Programmierung mit dem Raspberry Pi Pico
Praxisnahe Projekte, Profi-Tricks und eigene Anwendungen
Hans-Joachim Seeger
PIO-Programmierung mit dem Raspberry Pi Pico
Praxisnahe Projekte, Profi-Tricks und eigene Anwendungen
Hans-Joachim Seeger
● © 2026: Elektor Verlag GmbH, Aachen.
1. Auflage 2026
● Alle Rechte vorbehalten.
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● Satz und Aufmachung: D-Vision, Julian van den Berg | Oss (NL) Druck: Ipskamp Printing, Enschede (NL)
Elektor Verlag GmbH, Aachen www.elektor.de
Elektor ist die weltweit wichtigste Quelle für technische Informationen und Elektronik-Produkte für Maker, Ingenieure und Elektronik-Entwickler und für Firmen, die diese Fachleute beschäftigen. Das internationale Team von Elektor entwickelt Tag für Tag hochwertige Inhalte für Entwickler und DIY-Elektroniker, die über verschiedene Medien (Magazine, Videos, digitale Medien sowie Social Media) in zahlreichen Sprachen verbreitet werden. www.elektor.de
Inhaltsverzeichnis
1.7.
1.12.4.
1.15.
1.16.
1.17.2. Tipps für Fortgeschrittene und Abschlussprojekte......................
Teil 2 – Hardware
2.1.1. Hinweis zu Pico und Pico 2 ......................................
2.1.2. Taster-Beschaltung ...........................................
2.1.3.
2.1.4.
2.1.5. Platine E/A Modul 1 mit 8x LED und 8x Taster (P113a)
2.1.7.
2.1.8.
2.1.9.
2.1.10.
2.1.11.
2.1.19.
3.1.
3.1.1.
3.1.4.
3.1.5.
3.1.6.
3.1.7.
3.1.8.
3.1.9. 2
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.4.
3.2.5.
3.2.6.
3.2.7.
3.2.8.
3.2.9.
an 2 Pins – ohne GND und 3,3
3.4.3.
3.5.2.
3.5.5.
3.5.6.
3.6.
3.6.1.
3.6.2.
3.6.3.
3.6.4.
3.6.5.
3.6.6.
PIO-Programmierung mit dem Raspberry Pi Pico
3.7. Cross-IRQ zwischen zwei PIO-State Machines .........................
3.7.1. PIO-LED mit Taster Cross . . .
3.8. Frequenzerzeugung ...........................................
3.8.1. PIO-Rechteckgenerator mit fester Frequenz .........................
3.8.2. PIO-Rechteckgenerator mit variabler Duty Cycle ......................
3.8.3. PIO-Rechteckgenerator mit Poti .................................. 188
3.8.4. PIO-Rechteckgenerator mit Poti und Display .........................
3.8.5. PIO 5-Taster Menü mit Submenü .................................
Programmliste
Glossar – MicroPython PIO, SPI, I²C, PWM und Displaysteuerung
Komponentenliste
Warnhinweise
• Die Schaltungen und Boards dürfen ausschließlich mit geprüften, doppelt isolierten Sicherheitsnetzgeräten betrieben werden. Isolationsfehler bei einfachen oder ungeeigneten Netzteilen können zu gefährlichen Berührungsspannungen an Bauteilen oder Leitungen führen.
• Alle Komponenten dürfen nur innerhalb ihrer vorgesehenen Spannungs- und Strombereiche betrieben werden. Falsche Spannungspegel – insbesondere über 3,3 V am Raspberry Pi Pico – können sofortige und dauerhafte Schäden verursachen.
• Der Raspberry Pi Pico sowie angeschlossene Module erzeugen empfindliche CMOS-Signale. Elektrostatische Entladungen (ESD) können Bauteile zerstören. Verwendung einer antistatischen Unterlage und vorsichtiges Arbeiten werden empfohlen.
• Leistungsstarke LEDs, insbesondere Hochleistungs- oder RGB-LEDs, können Blendungen und dauerhafte Augenschäden verursachen. Niemals direkt in helle Lichtquellen schauen.
• Beim Umgang mit LED-Streifen, NeoPixel/WS2812 und Displays kann eine hohe Stromaufnahme entstehen. Die Stromversorgung muss ausreichend dimensioniert sein, um Überlastungen und Überhitzung zu vermeiden.
• Beim Aufbau auf dem Breadboard ist auf sichere und feste Kontaktierung zu achten. Lose oder wackelige Verbindungen können Kurzschlüsse, Fehlfunktionen oder Beschädigungen des Mikrocontrollers verursachen.
• Taster und mechanische Schalter erzeugen Prellen. Unsachgemäße Entprellung kann zu Fehlauslösungen führen, besonders bei programmgesteuerten Menüs oder PIO-Abfragen.
• Bei der Arbeit mit PIO-Programmen können sehr hohe Frequenzen erzeugt werden. Fehlkonfigurationen können zu instabilen Zuständen oder unerwünschtem Verhalten der Peripherie führen.
• Der Autor übernimmt keinerlei Haftung für Schäden, die durch unsachgemäße Nutzung, Fehlverdrahtung, falsche Spannungen oder fehlerhafte Programme entstehen.
• Alle Programme und PIO-Beispiele sind zu Lehr- und Experimentierzwecken gedacht und dürfen nur unter Aufsicht oder mit ausreichendem technischem Verständnis verwendet werden.
• Vor Änderungen an der Verdrahtung oder Bauteilen muss das gesamte System vom Strom getrennt werden, um Kurzschlüsse oder Verletzungen zu vermeiden.
Programmdownload
Die vollständigen Programme aller im Buch verwendeten Projekte können kostenlos von der Elektor-Store Webseite
www.elektor.de heruntergeladen werden. Sofern ein Programm nicht identisch mit dem im Buch beschriebenen ist, sollte die Version aus dem Download verwendet werden, da es sich dabei um die aktuelle Version handelt.
Einführung
Willkommen zu deinem Einstieg in die faszinierende Welt der PIO-Programmierung auf dem Raspberry Pi Pico!
Dieses Buch richtet sich an alle Maker, Tüftler und Technikbegeisterten, die verstehen möchten, was in einem Mikrocontroller wirklich passiert – und die Spaß daran haben, Dinge selbst auszu-probieren. Ganz gleich, ob du schon Erfahrung mit Mikrocontrollern hast oder zum ersten Mal mit dem Pico arbeitest: Hier lernst du Schritt für Schritt, wie du mit PIO (Programmable I/O) eigene, flexible und extrem schnelle Hardwarefunktionen programmierst.
PIO ist eines der mächtigsten, aber auch am wenigsten genutzten Werkzeuge des Raspberry Pi Pico. Mit PIO kannst du Aufgaben übernehmen, die sonst nur teure Peripheriebausteine oder kom-plexe Timer lösen – und das mit wenigen Zeilen Code. Du kannst Signale erzeugen, Protokolle nachbilden, LEDs ansteuern oder sogar ganze Schnittstellen selbst entwickeln.
Ich habe dieses Buch geschrieben, weil viele Maker beim ersten Kontakt mit PIO zurückschrecken: "Assembler? State Machines? Das klingt kompliziert!" Aber keine Sorge –wir nehmen dich an die Hand. Jedes Kapitel erklärt ein Konzept verständlich, zeigt dir den Code, und führt dich praktisch zu deinem eigenen funktionierenden Projekt.
Was dich erwartet
Das Buch ist in vier Teile gegliedert:
1 . Grundlagen – Du lernst, wie PIO funktioniert, wie man es programmiert und mit MicroPython ansteuert.
2 . Erste Schritte – Wir beginnen mit einfachen Projekten: LED blinken, Pins steuern, Timing verstehen.
3 . Praktische Projekte – Du baust reale Anwendungen: UART, SPI, WS2812-LEDs, PWM und Audio.
4 . Fortgeschrittene Themen – Du lernst, mehrere State Machines zu kombinieren, Interrupts zu nutzen und dein System zu optimieren.
Jedes Kapitel folgt demselben Aufbau:
• Einführung & Theorie
• Schritt-für-Schritt Anleitung mit Code
• Analyse & Verständnis
• Experimente und Erweiterungen
So bleibst du nie bei reiner Theorie stehen, sondern siehst sofort, wie sich dein Wissen in funktionierende Schaltungen umsetzen lässt.
Was du brauchst
Für die meisten Projekte genügt ein Raspberry Pi Pico, ein Breadboard, einige LEDs, Widerstände, Taster und Kabel.
Du kannst die Beispiele wahlweise in MicroPython oder C/C++ umsetzen – wir konzentrieren uns im Buch auf MicroPython, weil es besonders einsteigerfreundlich ist und du sofort Ergebnisse siehst.
Wie du am besten lernst
Am meisten lernst du, wenn du mitmachst.
Tippe die Programme selbst ab, ändere Werte, beobachte das Verhalten und experimentiere. Wenn etwas nicht funktioniert: perfekt! Fehler sind in der Elektronik der beste Lehrer.
In späteren Kapiteln wirst du merken, dass du PIO fast "intuitiv" beherrschst – du wirst deine eigenen Ideen umsetzen können, ganz ohne vorgefertigte Bibliotheken.
Danksagung
Ein Dank geht an die Raspberry Pi Foundation für den offenen und genial konzipierten RP2040, an das MicroPython-Team, das uns diese großartige Plattform ermöglicht, und an alle Maker in der Community, die ihre Projekte und Ideen teilen.
Und ein besonderer Dank geht an dich, lieber Leser – dass du dich entschieden hast, nicht nur zu benutzen, sondern zu verstehen.
Viel Spaß beim Lernen, Experimentieren und Tüfteln – und willkommen in der Welt der PIO-Programmierung!
Hans-Joachim Seeger
Teil 1 • Grundlagen
1 .1 . Einführung
1 .1 .1 . Einleitung
Dieses Buch soll einen umfassenden Einstieg in die PIO-Programmierung (Programmable Input/Output) auf dem Raspberry Pi Pico bieten.
PIO ist eine der leistungsfähigsten, aber oft wenig genutzten Funktionen des RP2040- und RP2350-Mikrocontrollers. Mit PIO kannst du eigene Ein- und Ausgangslogiken in Hardware ausführen lassen – unabhängig von der Haupt-CPU.
Du lernst in diesem Tutorial:
• was PIO ist und wie es im Inneren funktioniert,
• welche Vorteile es gegenüber normalen GPIO-, SPI-, I²C- oder PWM-Funktionen hat,
• wie du einfache PIO-Programme in MicroPython schreiben, starten und testen kannst,
• und wie du PIO sinnvoll in eigene Projekte einbindest.
1 .1 .2 . Warum PIO so besonders ist
Der RP2040 (RP2350) besitzt 2 (3) sogenannte PIO-Blöcke, die jeweils vier State Machines enthalten. Jede dieser kleinen Einheiten kann eigenständig ein Programm mit bis zu 32 Befehlen ausführen – ohne den Hauptprozessor zu belasten.
Das bedeutet:
• du kannst exakte Signalzeiten erzeugen,
• eigene Kommunikationsprotokolle realisieren (z. B. WS2812, I²S, VGA),
• oder Aufgaben auslagern, die sonst den CPU-Takt blockieren würden.
PIO verhält sich damit wie ein kleiner, frei programmierbarer Coprozessor, der sich perfekt für zeitkritische I/O-Aufgaben eignet.
Ein Beispiel:
Während dein Hauptprogramm Sensordaten auswertet oder ein Display aktualisiert, kann die PIO-Einheit gleichzeitig ein präzises PWM-Signal oder einen digitalen Datenstrom ausgeben – völlig unabhängig von CPU-Unterbrechungen oder Python-Laufzeitverzögerungen.
1 .1 .3 . Warum ist PIO kaum bekannt
PIO ist in der Welt der Mikrocontroller etwas Einzigartiges. Andere Prozessoren wie STM32, ESP32 oder AVR besitzen zwar Timer, DMA oder spezielle Schnittstellen, aber keine universelle programmierbare I/O-Engine, die komplett frei gesteuert werden kann.
Das hat mehrere Gründe:
• Die PIO-Architektur ist neu und nur auf wenigen Chips (z. B. RP2040, RP2350) verfügbar.
• Die Programmierung erfolgt auf sehr niedriger Ebene, ähnlich wie Assembler.
• Viele Entwickler arbeiten mit Bibliotheken, die diese Funktionen verstecken –dadurch bleibt PIO oft im Hintergrund.
Doch wer sich die Zeit nimmt, PIO zu verstehen, kann signifikant flexiblere und effizientere Lösungen entwickeln – zum Beispiel für hochpräzise Signalerzeugung, serielle Protokolle oder Signalaufzeichnung.
1 .1 .4 . Ziele des Buches
Am Ende dieses Buches wirst du:
1. wissen, was PIO ist und wie es funktioniert, 2. die PIO-Sprache und Befehle verstehen, 3. eigene PIO-Programme in MicroPython schreiben können, 4. PIO mit anderen Modulen (ADC, SPI, I²C, Displays, Motorsteuerung) kombinieren 5. und wissen, wann PIO die bessere Wahl ist – und wann nicht.
Dazu wird jedes Kapitel theoretische Grundlagen und ein oder mehrere praktische Beispiele enthalten.
1 .1 .5 . Was am Ende möglich ist
Wenn du dieses Tutorial durcharbeitest, wirst du am Ende z. B. in der Lage sein:
• eine LED exakt mit 5 Hz blinken zu lassen,
• ein Rechtecksignal mit variabler Frequenz über ein Potentiometer zu steuern,
• PIO-Programme und andere Anwendungen, z.B. SPI-Display gleichzeitig zu nutzen
1 .1 .6 . Aufbau des Buches
Das Buches ist so aufgebaut, dass du Schritt für Schritt vom Grundverständnis bis zu komplexen Anwendungen gelangst:
1 . Grundlagen – Hardware, Software, Aufbau
2 . Konzepte – Was PIO ist und wie es arbeitet
3 . Befehle & Sprache – die PIO-Instruktionen
4 . Praxis – erste Programme (z.B. LED, Taster, Servo, Encoder)
5 . Integration – PIO mit ADC, SPI, Displays
6 . Fortgeschrittene Anwendungen
7 . Debugging & Fehleranalyse
8 . Abschlussprojekte und Tests
1 .1 .7 . Zielgruppe
Dieses Tutorial richtet sich an:
• Einsteiger, die bereits einfache MicroPython-Programme schreiben können,
• Maker, die mehr aus ihrem Raspberry Pi Pico herausholen wollen,
• Techniker oder Entwickler, die verstehen möchten, wie PIO intern funktioniert und wann PIO sinnvoll ist
1 .1 .8 . Benötigte Kenntnisse
Grundkenntnisse in folgenden Themen sind hilfreich:
• Python / MicroPython
• Grundlegender Umgang mit GPIOs
• Elektronik-Basics (Widerstand, LED, Spannung)
• Optionale Erfahrung mit SPI oder I²C
Aber keine Sorge: Alle praktischen Beispiele sind ausführlich erklärt und Schritt für Schritt nachvollziehbar.
1 .2 . Was ist PIO?
1 .2 .1 . Die Idee hinter Programmable I/O (PIO)
PIO (Programmable I/O) ist eine besondere Hardwarefunktion des RP2040, die es erlaubt, Pins auf dem Mikrocontroller selbst zu programmieren.
Normalerweise laufen Ein- und Ausgänge über die CPU – die CPU schreibt Daten auf Pins, liest Sensoren ein und erledigt Berechnungen.
PIO verändert dieses Modell:
• Es gibt kleine, eigenständige "Mini-Prozessoren" innerhalb des RP2040, die Pins unabhängig von der CPU steuern.
• Diese Mini-Prozessoren heißen State Machines.
• Mit PIO kannst du z. B. LEDs, Sensoren oder Kommunikationsschnittstellen exakt nach Zeitplan steuern, ohne dass die CPU jeden Schritt selbst berechnen muss
Merksatz:
Die Hardware übernimmt die zeitkritischen Aufgaben, die CPU kümmert sich um Logik, Berechnungen und höhere Funktionen.
1 .2 .2 . Aufbau der PIO-Hardware Jede PIO-Einheit besteht aus mehreren State Machines, die jeweils unabhängig arbeiten.
Komponenten:
Baustein
Funktion
State Machine (SM) Führe PIO-Programm aus (kleiner Prozessor)
Instruktionsspeicher Speicher für PIO-Befehle (max. 32 Instruktionen pro SM)
FIFOs Datenpuffer zwischen CPU und PIO (IN/OUT)
Pins
GPIOs, die direkt von der State Machine gesteuert werden
Clock Divider Bestimmt die Geschwindigkeit der Instruktionsausführung
Wichtig:
• Ein RP2040-Chip hat 2 PIO-Blöcke (PIO0 und PIO1).
• Jeder Block hat 4 State Machines, also insgesamt 8 unabhängige MiniProzessoren.
• Jede State Machine kann ein eigenes Programm laufen lassen und eigene Pins ansteuern.
FIFO – Datenpuffer zwischen CPU und PIO FIFO steht für First In, First Out – "wer zuerst reinkommt, kommt zuerst raus". Da die PIO-State Machines nicht direkt auf CPU-Variablen zugreifen können, dienen FIFO-Puffer als Schnittstelle:
• IN-FIFO → CPU schreibt Daten hinein → PIO liest sie aus
• OUT-FIFO → PIO schreibt Daten hinein → CPU liest sie aus
Beispiele:
1 . LED-Steuerung: CPU berechnet Blinkwerte → schreibt sie in IN-FIFO → PIOState Machine liest aus → LED blinkt entsprechend
2. Sensor auslesen: PIO liest Sensor → schreibt Werte in OUT-FIFO → CPU liest und verarbeitet
Vorteile:
• CPU und PIO arbeiten parallel, ohne sich gegenseitig zu blockieren
• Datenübertragung bleibt geordnet und zuverlässig
• Timing bleibt exakt, weil die PIO-State Machine autonom arbeitet
1 .2 .3 . Wie PIO vom RP2040 gesteuert wird
Die CPU übernimmt die Steuerung der PIO-Module:
1. Programm hochladen
- MicroPython lädt das PIO-Programm in den Instruktionsspeicher der State Machine.
2. State Machine starten/stoppen
- CPU sagt der State Machine, wann sie aktiv sein soll.
3. Daten austauschen über FIFO
- push() → von PIO zu CPU - pull() → von CPU zu PIO
Die State Machine arbeitet danach vollständig autonom.
1 .2 .4 . PIO versus CPU: Wer macht was?
Aufgabe CPU PIO
Berechnung / Logik
Timing-kritische Pinsteuerung
Protokollimplementierung (z. B. UART, SPI, WS2812)
Datenweiterleitung / Verarbeitung (nur FIFO)
Merksatz:
• PIO = Hardware für exakte, parallele und wiederholbare Signalsteuerung
• CPU = Logik, Berechnungen, Koordination
1 .3 . Die PIO-Sprache und ihre Befehle
1 .3 .1 . Was ist die PIO-Sprache
Die PIO-Sprache ist eine sehr einfache, aber mächtige Assembler-ähnliche Sprache, die speziell für die PIO-State-Machines im RP2040/RP2350 entwickelt wurde. Jede State Machine kann bis zu 32 Befehle speichern, und jeder Befehl wird hardwarege-taktet ausgeführt – in exakt berechenbarer Zeit.
Der Vorteil:
Mit nur wenigen Befehlen kann man komplexe Abläufe oder Kommunikationsprotokolle nachbilden, z. B. SPI, UART, WS2812, oder einfache Signalformen wie PWM, Rechteck und Pulse.
1 .3 .2 . Grundprinzip
Ein PIO-Programm besteht aus einer Abfolge von Befehlen wie:
set(pins, 1)
nop()
set(pins, 0)
jmp(0)
Diese vier Zeilen würden die PIO anweisen, den Pin auf HIGH zu setzen, kurz zu warten, wieder auf LOW zu setzen, und dann an den Anfang des Programms zu springen (Endlosschleife).
Alle Befehle werden nacheinander abgearbeitet – kein Multitasking, kein Chaos, nur exaktes Timing.
1 .3 .3 . Die wichtigsten PIO-Befehle
Es gibt neun zentrale Befehle (plus Varianten). Hier ist eine ausführliche Übersicht:
SET – Werte in Register oder Pins schreiben
Syntax:
set(target, value) [delay]
Funktion: Schreibt einen festen Wert (0–31) in ein Ziel (Register, Pin, X/Y-Register, etc.).
Beispiel:
set(pins, 1) # Ausgang auf HIGH
set(pins, 0) # Ausgang auf LOW
Typische Anwendung: LED schalten, Initialwerte setzen, Richtungen einstellen.
MOV – Daten verschieben
Syntax:
mov(target, source)
Funktion: Kopiert Daten zwischen internen Registern, z. B. von OSR (Output Shift Register) nach pins.
Beispiel:
mov(pins, osr)
schreibt die Bits aus dem Output Shift Register auf die Ausgänge.
Typische Anwendung: Datenstrom ausgeben (z. B. SPI, UART, WS2812).
IN – Daten einlesen
Syntax:
in(source, bit_count)
Funktion: Liest Bits von einem Eingang oder Register in das Input Shift Register (ISR). Beispiel:
in(pins, 1) # Lies 1 Bit von den Eingängen
Typische Anwendung: Zustände oder Signale einlesen (z. B. Taster, Encoder, serieller Eingang).
OUT – Daten ausgeben
Syntax:
out(target, bit_count)
Funktion: Sendet Bits aus dem Output Shift Register (OSR) an ein Ziel, z. B. Pins oder X/YRegister.
Beispiel:
out(pins, 8) # Schreibt 8 Bits aus OSR auf die Pins
Typische Anwendung: Serielle Ausgabe oder parallele Datenübertragung.
JMP – Sprünge und Schleifen
Syntax:
jmp(label) jmp(pin) jmp(x_dec)
Funktion: Springt im Programmablauf zu einer bestimmten Adresse oder Marke.
Beispiel: wrap_target() set(pins, 1) set(pins, 0) jmp(wrap_target) wrap()
Typische Anwendung: Endlosschleifen, bedingte Sprünge (z. B. für PWM- oder Protokollzyklen).
PIO-Programmierung mit dem Raspberry Pi Pico
Praxisnahe Projekte, Profi-Tricks und eigene Anwendungen
Dieses Buch führt Sie Schritt für Schritt in die faszinierende Welt der State Machines ein und zeigt, wie Sie Hardware direkt und effizient ansteuern können – jenseits klassischer CPU-gesteuerter Ansätze.
In diesem Buch lernen Sie:
> LEDs und NeoPixel kreativ steuern: Blinken, Dimmen, Farbwechsel und komplexe Animationen
> Taster und Encoder zuverlässig auslesen und in Echtzeit in Ihre Projekte integrieren
> Analoge Eingänge (ADC) nutzen und Signale digital steuern
> Servos präzise ansteuern und Bewegungsabläufe automatisieren
> SPI mit PIO umsetzen, um Displays, Sensoren und Module anzusteuern
> Menüsysteme und Submenüs auf SPI-Displays realisieren, inklusive Navigation über mehrere Taster
> PWM, Signalgenerierung und Frequenzsteuerung für akustische oder visuelle Effekte
> Debugging-Strategien und Tipps, um Ihre PIO-Programme effizient zu entwickeln
Alle Beispiele sind praxisnah, sofort umsetzbar und zuverlässig. Mit klaren Anleitungen, Hintergrundwissen und fertigen Codebeispielen lernen Sie, die PIO-Fähigkeiten des Pico maximal zu nutzen – egal ob für Makerprojekte, Prototypen oder professionelle Anwendungen. Erleben Sie, wie Sie komplexe Hardwaresteuerung elegant mit dem Pico realisieren können – schneller, flexibler und leistungsfähiger als je zuvor.
Hans-Joachim Seeger ist ausgebildeter Radio- und Fernsehtechnikermeister sowie Elektromeister. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung im Service und in der Wartung elektronischer Geräte sowie in der Gebäudeleittechnik. Seit vielen Jahren beschäftigt er sich intensiv mit der Programmierung von Mikrocontrollern, inbesondere mit AVR und dem Raspberry Pi Pico, in C und Python. Darüber hinaus besitzt er umfangreiche praktische Erfahrung mit I²C-Bussystemen, Multitasking-Anwendungen und der Integration verschiedener Hardwarekomponenten.
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