GPIO 基础
Author：余生
一、GPIO 基础概念
1. 什么是 GPIO？
- 全称：General Purpose Input/Output（通用输入输出）
- 作用：STM32 通过 GPIO 引脚与外部设备交互（如点亮 LED、读取按键）。
- 特点：每个引脚可独立配置为输入 / 输出模式，支持多种工作方式。
2.STM32 引脚分类
| 引脚类型 | 颜色标记 | 功能说明 | 示例引脚 |
|---|---|---|---|
| 电源引脚 | 红色 | 供电（VBAT, VDD, GND） | VBAT, VDD_1 |
| 系统引脚 | 蓝色 | 复位 / 晶振 / 下载（NRST, OSC） | NRST, OSC_IN |
| GPIO 引脚 | 绿色 | 数据输入输出（PA0-PC15） | PA0, PC13 |
3.GPIO 的基本结构
GPIO 通常包括以下部分：
- 寄存器：用于配置 GPIO 的工作模式和读写电平。
- 驱动器：增强 GPIO 引脚的驱动能力。
- APB2 总线接口：通过此接口，内核可对寄存器进行读写操作。
GPIOA/GPIOB
“万能插线板”，每个引脚都能变身！
想象这是一块 “万能插线板”（芯片上的引脚模块），分 A、B 两块，每块有 16 个孔（PA0~PA15、PB0~PB15）。
- 每个孔（引脚）能干啥？
- 当它是 “电源插孔”：输出高电平（比如 3.3V），相当于 “通电”；输出低电平（0V），相当于 “断电”。
- 当它是 “信号插孔”：外部设备（比如传感器）按一下按钮，插孔就会有电平变化，你就能 “读” 到这个信号。
- 关键：每个孔的功能（输入 / 输出 / 特殊功能）由 “寄存器” 提前设置好，就像给插孔贴标签：“这个孔今天当电源口，那个孔当信号接收口”。
寄存器
“插线板的说明书 + 开关总控”
每个 GPIO 模块（A/B）里有一堆绿色小盒子（寄存器），分 3 类最常用的：
- 配置寄存器（CRH/ CRL）—— 给引脚贴标签
- 比如你想让 PA0 当 “输出口”（能控制它输出高低电平），就在配置寄存器里找到 PA0 对应的 “开关位”，拨到 “输出档”。
- 如果拨到 “输入档”，PA0 就变成 “信号耳朵”，能监听外部有没有电平变化。
- 数据寄存器（ODR/IDR）—— 直接控制 / 读取引脚状态
- 输出时：往 ODR 寄存器里写 “1”，对应的引脚（比如 PA0）就会输出高电平；写 “0” 就输出低电平。 （ODR 就像一个 “总开关面板”，每个二进制位对应一个引脚的开关状态）
- 输入时：直接从 IDR 寄存器里 “看” 对应位是 1 还是 0，就知道外部有没有给信号。
- 其他寄存器（比如 BSRR、BRR）—— 细节操作
- 比如 BSRR 寄存器可以单独把某个引脚置 1 或清 0（比直接操作 ODR 更方便），BRR 专门用来清 0（关灯更快）。
驱动器
“电信号的快递员”
寄存器下了命令，但引脚离得远，需要 “快递员” 把信号送到家门口 —— 这就是驱动器。
- 工作原理：寄存器输出的 “小电流信号” 太弱，驱动器就像一个 “信号放大器”，把 “微弱的小电平” 变成足够强的电信号，让引脚能稳定输出或接收。
- 为什么需要？：如果直接让寄存器连引脚，信号会被 “拖垮”（类似用细电线带大功率电器会跳闸），驱动器就是加粗的 “电线”，保证信号不失真。
APB2 总线
“小区的主干道，连接管理中心和插线板”
整个 GPIOA/B 模块不是独立存在的，它们通过一条紫色 “主干道”（APB2 总线）连接到 CPU（或芯片的核心部分）。
- CPU 怎么控制 GPIO？
- CPU 通过 APB2 总线找到 GPIOA/B 模块（就像开车上高速，先走 APB2 这条路）。
- 到达后，往对应的寄存器（说明书 + 开关）写命令（比如 “让 PA5 输出 1”）。
- 驱动器收到命令，把信号送到 PA5 引脚，完成操作。
- APB2 vs 其他总线： 不同的总线（比如 APB1、AHB）相当于小区里的不同主干道，速度和带宽不同。APB2 通常负责高速外设（如 GPIO、定时器），APB1 负责低速外设（如 UART、I2C）。
实际应用举例
“让 LED 灯亮起来”
假设你想让 PA0 引脚接的 LED 灯亮：
- 第一步：配置 PA0 为输出口
- 往 GPIOA 的配置寄存器（CRH/CRL）里找到 PA0 对应的位，设置为 “输出模式”。
- 第二步：让 PA0 输出高电平
- 往 GPIOA 的数据寄存器（ODR）的第 0 位写 1（二进制 0000 0000 0000 0001）。
- 结果：驱动器把高电平信号送到 PA0，LED 灯亮。
总结
整个流程就是 “写指令→放大信号→控制引脚”
- 软件层面：你通过代码往寄存器写 0 或 1（比如
GPIOA->ODR |= 1<<0;）。 - 硬件层面：寄存器的命令→驱动器放大→引脚真的输出高 / 低电平。
- 核心思想：所有对硬件的操作，最终都是通过 “改寄存器的值” 实现的，寄存器就是你和硬件对话的唯一语言。
记住这个逻辑，以后学任何单片机（STM32/Arduino/51 单片机），都是这套 “寄存器控制引脚” 的套路，只是寄存器的名字和地址可能不同，但本质完全一样
关键点：
- 一个引脚可能有多个功能（复用功能），通过寄存器配置切换（如 PA9 可以是普通 IO 或串口 TX）。
二、GPIO 工作模式
8 种模式详解
C
typedef enum {
GPIO_Mode_AIN = 0x0, // 模拟输入（用于ADC）
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, // 浮空输入（按键检测）
GPIO_Mode_IPD = 0x28, // 下拉输入（默认低电平）
GPIO_Mode_IPU = 0x48, // 上拉输入（默认高电平）
GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, // 开漏输出（需外部上拉）
GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, // 推挽输出（直接驱动LED）
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, // 复用开漏（I2C）
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 // 复用推挽（串口、SPI）
} GPIOMode_TypeDef;模式选择场景
| 模式名称 | 性质 | 特征 |
|---|---|---|
| 浮空输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定 |
| 上拉输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平 |
| 下拉输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平 |
| 模拟输入 | 模拟输入 | GPIO 无效，引脚直接接入内部 ADC |
| 开漏输出 | 数字输出 | 可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接 VSS |
| 推挽输出 | 数字输出 | 可输出引脚电平，高电平接 VDD，低电平接 VSS |
| 复用开漏输出 | 数字输出 | 由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接 VSS |
| 复用推挽输出 | 数字输出 | 由片上外设控制，高电平接 VDD，低电平接 VSS |