GPIO介绍

一、 什么是GPIO？

• GPIO是通用输入输出端口（General-purpose input/output）的英文简写，是所有的微控制器必不可少的外设之一，可以由STM32直接驱动从而实现与外部设备通信、控制以及采集和捕获的功能。
• GPIO口可配置为多种输入输出模式，如输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、开漏输出、开漏复用功能、推挽式输出以及推挽式复用功能等。
• STM32单片机的GPIO被分为很多组，每组最多有16个引脚，不同型号的 MCU 的GPIO个数是不同的。
• 引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V。

二、 GPIO内部结构

三、GPIO工作模式

GPIO的工作模式决定了引脚的功能和电气特性，常见模式包括：

1. 输入模式
   • 浮空输入：引脚无上下拉，电平由外部信号决定（如按键检测）。
   • 上拉输入：内部上拉电阻使引脚默认高电平，适用于检测低电平信号（如按键按下）。
   • 下拉输入：内部下拉电阻使引脚默认低电平，适用于检测高电平信号。
   • 模拟输入：引脚连接ADC，用于模拟信号采集（如温度传感器）。
2. 输出模式
   • 推挽输出：输出高电平时驱动高电平，低电平时驱动低电平，可以输出高、低两种。电平适用于驱动LED、继电器等。
   • 开漏输出：输出高电平时为高阻态，低电平时驱动低电平，因此只能输出低电平。常用于总线通信（如I2C）或电平转换。
   • 复用功能输出：引脚被配置为特定外设功能（如UART、SPI的TX/RX）。
3. 其他模式
   • 复用功能输入：引脚作为外设输入（如编码器接口）。
   • 事件触发模式：引脚电平变化触发中断或DMA请求（如外部中断）。

四、GPIO寄存器（以STM32为例）

STM32的GPIO通过寄存器组配置，主要寄存器包括：

CRL/CRH（配置低/高寄存器）

• 功能：配置引脚模式（输入/输出/复用/模拟）和输出类型（推挽/开漏）。
• 结构：每4位控制一个引脚（MODE[1:0] + CNF[1:0]）。

IDR（输入数据寄存器）

• 功能：读取引脚当前电平状态（只读）。

ODR（输出数据寄存器）

• 功能：设置引脚输出电平（可读可写）。

BSRR/BRR（位设置/清除寄存器）

• 功能：原子操作设置/清除引脚电平（避免读-修改-写风险）。

LCKR（锁定寄存器）

• 功能：锁定引脚配置（防止误修改）。

五、GPIO库函数（以STM32 HAL库为例）

HAL库封装了寄存器操作，提供更易用的接口：

初始化函数

• HAL_GPIO_Init()：配置引脚模式、速度、上下拉等。
• 示例：配置PA5为推挽输出，上拉，高速：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

读写函数

• HAL_GPIO_WritePin()：设置引脚电平。

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); // 高电平

• HAL_GPIO_ReadPin()：读取引脚电平。

GPIO_PinState state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);

• HAL_GPIO_TogglePin()：翻转引脚电平。

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

中断函数

• HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()：处理外部中断。
• 回调函数：用户需实现void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)处理中断。

复用功能配置

• 通过GPIO_InitStruct.Alternate字段配置复用功能（如UART_TX对应AF7）。

六、关键区别与选择

维度	寄存器操作	库函数操作
速度	快（直接操作硬件）	慢（函数调用开销）
可移植性	差（依赖具体芯片）	好（跨系列兼容）
开发效率	低（需手动计算寄存器位）	高（结构化配置）
适用场景	底层驱动、高性能需求	快速原型开发、应用层代码