Eine GPIO-Erweiterung ist ein Gerät, das einem Entwickler die Möglichkeit bietet, an einem Mikroprozessor (MPU) oder Mikrocontroller (MCU) System zusätzliche Ein- und Ausgänge (I/O) zu implementieren. Sie verfügen über eine effiziente Datenbus-Schnittstelle, um die I/O-Anforderungen des MPU- oder MCU-Systems zu reduzieren. Hierbei handelt es sich in der Regel um eine synchrone serielle Schnittstelle wie SPI oder I²C. Sie bieten die Möglichkeit, einem System mehr I/O hinzuzufügen, als auf dem verwendeten Prozessorgerät zur Verfügung stehen. Die I/O können sich dabei physikalisch auf einem System an einem anderen Standort befinden, was das Platinenlayout erleichtert und die Signalintegrität verbessert.

 

In der Regel werden serielle Anschlüsse gewählt, da diese wenige Datenleitungen aufweisen. SPI hat vier Datenleitungen, I²C zwei. Da die I/O-Erweiterung in der Regel mehr als acht I/O-Anschlüsse aufweist, kann bereits ein deutlicher I/O-Zuwachs am Mikroprozessor erzielt werden. Beim Hinzufügen weiterer I/O-Erweiterungen kann meist der gleiche Bus verwendet werden, wodurch das System die zusätzlichen I/O noch aufstocken kann. Erweiterungen werden durch einen Softwaretreiber gesteuert, der aus internen Verzeichnissen des Geräts mit dem seriellen Datenfluss liest und in diese schreibt. Häufig werden durch die Erweiterung konfigurierbare Signale generiert, um dem Prozessor anzuzeigen, wenn ein Signalwechsel aufgetreten ist.

 

Ein weiterer Vorteil von GPIO-Erweiterungen besteht darin, dass sie meist eine höhere Laufwerkskapazität bieten als der I/O eines MPU oder MCU. Dadurch sind sie für Geräte mit höheren Lasten wie LEDs geeignet. Die Eingänge solcher Geräte können auch höhere elektrostatische Entladungen (ESD) aufweisen als Prozessoren und viel höhere Spannungswerte unterstützen. Einige I/O-Erweiterungen verfügen auch über eine wichtige Entprellschaltung, um Spannungsspitzen von Tastaturen zu entfernen, und können auch einen Algorithmus zum Prüfen von Tastaturen enthalten, um die gedrückten Tasten der Tastenfelder auszuwerten. I/O-Erweiterungen für besondere Einsatzbereiche sind mit seriellen Schnittstellen für die jeweilige Anwendung erhältlich. So verfügen beispielsweise I/O-Erweiterungen der Automobilbranche meist über serielle CAN-Bus-Schnittstellen. Es gibt parallele GPIO-Geräte, die sich an einer parallelen Adresse befinden und Datenbusse als Memory-Mapped-Peripheriegeräte nutzen. Diese bieten meiste hohe I/O-Erweiterungswerte von 24 oder mehr Anschlüssen. Sie werden in MPU-Systemen verwendet, in denen ein schnellerer I/O-Zugriff erforderlich ist oder ein serieller Anschluss nicht verfügbar ist.