GPIO（通用输入输出端口）详细介绍

一、基本概念

GPIO（General - Purpose Input/Output）即通用输入输出端口，是微控制器（如 STM32 系列）中非常重要的一个外设。它是一种软件可编程的引脚，用户能够通过编程来控制这些引脚的输入或输出状态。在嵌入式系统里，GPIO 引脚如同微控制器与外部世界沟通的桥梁，可连接各种外部设备，像按键、LED 灯、传感器等。

二、GPIO 引脚特点

（一）可编程性

可以借助软件配置每个 GPIO 引脚的工作模式，涵盖输入模式、输出模式、复用功能模式和模拟模式等。

（二）多用途

既能够作为简单的数字信号输入输出接口，也能通过复用功能达成更复杂的通信协议，例如 I2C、SPI、UART 等。

（三）电平驱动能力

不同的 GPIO 引脚具备不同的电平驱动能力，能够提供一定的电流以驱动外部设备。

（四）硬件相关补充

1. 引脚保护

   GPIO 引脚易受静电、过压、过流等因素影响而损坏。可在引脚外部添加保护电路，如用压敏电阻、TVS（瞬态电压抑制器）防止过压冲击，用限流电阻限制流入引脚的电流。例如，连接按键到 GPIO 引脚时，在按键和引脚间串联几百欧姆的限流电阻，防止按键按下瞬间的浪涌电流损坏引脚。

2. 引脚复用冲突

   当多个外设需复用同一个 GPIO 引脚时会产生冲突。设计电路和编写代码时，要仔细查看芯片的数据手册，了解引脚复用优先级和冲突解决办法。有些芯片会提供专门寄存器配置引脚复用功能，确保不同外设互不干扰。

3. 引脚电气特性

   除电平驱动能力外，还需考虑引脚的输入电容、输出电阻等电气特性。输入电容影响信号上升和下降时间，尤其是高速信号传输时；输出电阻影响输出信号质量和驱动能力。例如，设计高速通信接口时，要根据引脚输入电容选择合适的上拉/下拉电阻，保证信号稳定性。

三、GPIO 工作模式

（一）输入模式

1. 浮空输入：引脚处于浮空状态，电平不确定，一般用于外部按键输入。

2. 上拉输入：引脚内部连接上拉电阻，默认电平为高电平，当外部信号为低电平时，引脚电平被拉低。

3. 下拉输入：引脚内部连接下拉电阻，默认电平为低电平，当外部信号为高电平时，引脚电平被拉高。

4. 模拟输入：用于读取模拟信号，通常用于连接模拟传感器。

（二）输出模式

1. 开漏输出：只能输出低电平，若要输出高电平，需要外接上拉电阻。常用于 I2C 等通信总线。

   • 上拉电阻选择：开漏输出模式下，上拉电阻的选择影响信号上升时间和功耗。电阻值越小，信号上升时间越短，但功耗增加；电阻值越大，功耗越小，但信号上升时间变长。一般在低速通信场景下，可选 10kΩ - 100kΩ 的上拉电阻；高速通信场景下，选 1kΩ - 10kΩ 的上拉电阻。

2. 推挽输出：可以输出高电平和低电平，具有较强的驱动能力，常用于驱动 LED 等负载。

3. 复用功能模式：引脚用于实现特定的外设功能，如 USART、SPI 等。在这种模式下，引脚的控制权由相应的外设接管。

   • 配置细节：不同外设复用功能可能需不同配置步骤。例如使用 USART 复用功能时，除配置 GPIO 引脚为复用模式外，还需配置 USART 外设的波特率、数据位、停止位等参数，通常要参考芯片数据手册和外设驱动库文档完成详细配置。

4. 模拟模式：引脚用于模拟信号的输入输出，此时引脚与数字电路断开，用于 ADC、DAC 等模拟外设。

   • 精度和噪声处理：模拟模式下，引脚精度和噪声影响模拟信号采集和处理。为提高精度，可选择合适的 ADC 分辨率并校准；为降低噪声，可使用滤波电路，如 RC 滤波器。例如采集温度传感器模拟信号时，用 RC 滤波器减少外界干扰。

四、GPIO 在 STM32 中的使用步骤及示例代码

（一）使用步骤

1. 使能 GPIO 时钟：在使用 GPIO 之前，需要先使能相应的 GPIO 端口时钟。

2. 配置 GPIO 引脚模式：根据需要选择输入或输出模式。

3. 控制 GPIO 引脚电平：在输出模式下，可以通过写入寄存器来控制引脚的电平；在输入模式下，可以通过读取寄存器来获取引脚的电平。

（二）示例代码

1. 简单示例代码

#include "stm32f4xx.h"

int main(void)
{
    // 使能 GPIOD 时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOD, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // 配置 PD12 为推挽输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

    while (1)
    {
        // 点亮 LED
        GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);
        for (int i = 0; i < 1000000; i++); // 简单延时

        // 熄灭 LED
        GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);
        for (int i = 0; i < 1000000; i++); // 简单延时
    }
}

2. 优化延时函数示例代码

#include "stm32f4xx.h"

void delay_ms(uint32_t ms)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStructure;
    // 使能 TIM2 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 配置定时器
    TIM_InitStructure.TIM_Period = ms - 1;
    TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = SystemCoreClock / 1000 - 1;
    TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStructure);

    // 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

    // 等待定时器计数完成
    while (!TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update));
    TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);

    // 关闭定时器
    TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
}

int main(void)
{
    // 使能 GPIOD 时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOD, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // 配置 PD12 为推挽输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

    while (1)
    {
        // 点亮 LED
        GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);
        delay_ms(1000); // 延时 1 秒

        // 熄灭 LED
        GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);
        delay_ms(1000); // 延时 1 秒
    }
}

3. 代码模块化示例代码

#include "stm32f4xx.h"

void GPIO_LED_Init(void)
{
    // 使能 GPIOD 时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOD, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // 配置 PD12 为推挽输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);
}

void LED_On(void)
{
    GPIO_SetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);
}

void LED_Off(void)
{
    GPIO_ResetBits(GPIOD, GPIO_Pin_12);
}

int main(void)
{
    GPIO_LED_Init();

    while (1)
    {
        LED_On();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++); // 简单延时

        LED_Off();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++); // 简单延时
    }
}

五、GPIO 应用场景

1. 状态指示：除控制 LED 灯，还可用于其他状态指示。如工业控制中，用 GPIO 引脚连接蜂鸣器，系统出现故障时，控制引脚电平触发蜂鸣器报警。

2. 数据采集：可使用 GPIO 引脚连接传感器，通过读取引脚电平采集传感器数据。例如连接振动传感器，检测到振动时传感器输出高电平，读取 GPIO 引脚电平判断是否发生振动。

3. 设备控制：在智能家居系统中，用 GPIO 引脚控制继电器，实现对电器设备的开关控制。如通过控制引脚电平打开或关闭空调、灯光等设备。