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GPIO 通用输入输出 ​

GPIO（General Purpose Input/Output）是单片机最基本、最常用的外设。通过 GPIO，STM32 可以读取按键、驱动 LED、控制继电器、与其他芯片通信等。

GPIO 引脚命名 ​

STM32 的 GPIO 引脚按端口分组，每个端口最多有 16 个引脚：

  • GPIOA：PA0 ~ PA15
  • GPIOB：PB0 ~ PB15
  • GPIOC：PC13 ~ PC15（在 STM32F103C8T6 上可用引脚较少）
  • GPIOD：PD0、PD1（通常为外部晶振引脚）

TIP

实际可用引脚取决于芯片型号和封装。例如 STM32F103C8T6 只有 PA、PB、PC 的部分引脚可用。

IO 复用 ​

IO 复用是指同一个物理引脚可以作为不同的功能使用。例如 PA9 既可以用作普通 GPIO，也可以复用为 USART1_TX。

STM32 的每个引脚都有多个复用功能，通过 GPIO 模式配置选择：

  • 通用模式：直接由 CPU 控制输入或输出。
  • 复用模式：由片上外设（如 USART、I2C、SPI、TIM）接管引脚。

复用功能重映射 ​

部分外设的功能可以通过 AFIO（Alternate Function I/O）重映射到其他备用引脚。例如 USART1 的默认 TX/RX 是 PA9/PA10，但可以重映射到 PB6/PB7。

在 HAL 库中，重映射通常通过 __HAL_AFIO_REMAP_USART1_ENABLE() 等宏实现。使用 STM32CubeMX 配置时，只需在引脚图上选择对应的复用功能，工具会自动处理重映射。

工作模式 ​

GPIO 的工作模式分为输出模式和输入模式两大类。

输出模式 ​

模式推挽开漏
通用通用输出推挽通用输出开漏
复用复用输出推挽复用输出开漏

推挽输出 ​

推挽输出由两个 MOS 管交替导通：

  • 当输出高电平时，上管导通，下管截止，引脚被拉到 VCC。
  • 当输出低电平时，下管导通，上管截止，引脚被拉到 GND。

推挽输出具有较强的驱动能力，适合直接驱动 LED、继电器等负载。

开漏输出 ​

开漏输出只有下管，没有上管：

  • 当输出低电平时，下管导通，引脚被拉到 GND。
  • 当输出高电平时，下管截止，引脚处于浮空状态，必须外接上拉电阻才能输出高电平。

开漏输出的特点是多个开漏输出可以连接在一起实现“线与”逻辑，因此 I2C 总线使用开漏输出。

通用输出与复用输出 ​

  • 通用输出：由程序直接控制引脚电平。
  • 复用输出：由外设模块自动控制引脚电平，例如 PWM 输出、串口发送等。

输入模式 ​

模式说明
输入上拉使能内部上拉电阻，无外部信号时默认读取到高电平
输入下拉使能内部下拉电阻，无外部信号时默认读取到低电平
输入浮空上拉和下拉电阻均不使能，引脚状态由外部电路决定
模拟模式引脚连接到片上 ADC/DAC，用于模拟信号采集或输出

上拉输入 ​

适合连接按键到 GND 的场景。按键未按下时，内部上拉电阻把引脚拉到高电平；按键按下时，引脚被拉到低电平。

下拉输入 ​

适合连接按键到 VCC 的场景。按键未按下时，内部下拉电阻把引脚拉到低电平；按键按下时，引脚被拉到高电平。

浮空输入 ​

功耗最低，但抗干扰能力差。一般只在引脚已有外部明确上下拉电路时使用。

IO 速度 ​

GPIO 输出速度决定了引脚电平切换的快慢：

速度等级上升/下降时间保持时间最高频率
低速125 ns250 ns2 MHz
中速25 ns50 ns10 MHz
高速5 ns10 ns50 MHz

WARNING

速度越快，功耗和电磁干扰（EMI）越大，还可能导致信号振铃。因此应根据实际需求选择最低够用的速度，而不是一味选高速。

HAL 库 GPIO 常用函数 ​

写入引脚电平 ​

c
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);    // 输出高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);  // 输出低电平

翻转引脚电平 ​

c
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

读取引脚电平 ​

c
GPIO_PinState state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);

返回值是 GPIO_PIN_SET 或 GPIO_PIN_RESET。

锁定引脚配置 ​

c
HAL_GPIO_LockPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

锁定后，直到下一次复位前，该引脚的配置不能被修改。

GPIO 初始化示例 ​

假设需要配置 PA5 为推挽输出、高速，初始高电平；PA0 为上拉输入：

c
void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 使能 GPIOA 时钟

    // PA5 推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // PA0 上拉输入
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

按键消抖 ​

机械按键在按下和松开时会产生抖动，导致单片机读取到多次跳变。常用的软件消抖方法是检测到按键状态变化后延时 10~20ms，再次确认状态。

c
#define KEY_PIN GPIO_PIN_0
#define KEY_GPIO_PORT GPIOA

uint8_t key_scan(void)
{
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_GPIO_PORT, KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        HAL_Delay(20);  // 延时消抖
        if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_GPIO_PORT, KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET)
        {
            while (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_GPIO_PORT, KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET);  // 等待释放
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

本章小结 ​

GPIO 是 STM32 最基础的外设。理解推挽/开漏、上拉/下拉/浮空、通用/复用等概念，是后续学习串口、I2C、SPI 等通信外设的前提。合理选择 IO 速度可以在性能和电磁兼容性之间取得平衡。

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