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:
cpp 复制代码
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。
cpp 复制代码
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET); // 高电平
  • HAL_GPIO_ReadPin():读取引脚电平。
cpp 复制代码
GPIO_PinState state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);
  • HAL_GPIO_TogglePin():翻转引脚电平。
cpp 复制代码
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
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