STM32单片机I_O端口详解：输入输出操作的权威宝典

# 1. STM32 I_O端口基础**

STM32单片机I/O端口是与外部世界交互的桥梁，负责输入和输出数据。每个I/O端口都可以被配置为不同的模式，如输入、输出、中断或模拟输入/输出。

I/O端口的配置通过GPIO（通用输入输出）寄存器进行，包括模式寄存器（MODER）、输出数据寄存器（ODR）和输入数据寄存器（IDR）。模式寄存器决定了端口的输入或输出模式，而ODR和IDR分别用于设置和读取端口的逻辑电平。

# 2. STM32 I_O端口配置**

STM32 I_O端口配置是控制和管理单片机输入输出操作的关键。本章将深入探讨GPIO模式和配置寄存器、GPIO中断和事件以及GPIO高级特性，为开发者提供全面了解STM32 I_O端口配置的权威指南。

## 2.1 GPIO模式和配置寄存器

### GPIO模式

GPIO模式定义了I_O端口的电气特性和功能。STM32单片机支持多种GPIO模式，包括：

- **输入模式（Input mode）：**将I_O端口配置为输入，接收外部信号。
- **输出模式（Output mode）：**将I_O端口配置为输出，驱动外部设备。
- **推挽输出模式（Push-pull output mode）：**在输出高电平时提供拉电流，在输出低电平时提供下拉电流。
- **开漏输出模式（Open-drain output mode）：**仅提供下拉电流，需要外部上拉电阻才能输出高电平。
- **模拟输入模式（Analog input mode）：**将I_O端口配置为模拟输入，用于测量外部模拟信号。

### 配置寄存器

GPIO配置寄存器用于控制和配置GPIO端口。STM32单片机中，每个GPIO端口都有以下配置寄存器：

- **GPIO模式寄存器（GPIOx_MODER）：**设置GPIO模式。
- **GPIO输出数据寄存器（GPIOx_ODR）：**设置GPIO输出数据。
- **GPIO输入数据寄存器（GPIOx_IDR）：**读取GPIO输入数据。
- **GPIO中断屏蔽寄存器（GPIOx_IMR）：**使能或禁止GPIO中断。
- **GPIO上升沿中断屏蔽寄存器（GPIOx_IER）：**使能或禁止GPIO上升沿中断。
- **GPIO下降沿中断屏蔽寄存器（GPIOx_DER）：**使能或禁止GPIO下降沿中断。

## 2.2 GPIO中断和事件

### GPIO中断

GPIO中断允许当GPIO端口发生特定事件（例如，输入信号变化）时触发中断服务程序。STM32单片机支持以下GPIO中断：

- **上升沿中断：**当GPIO输入端口从低电平变为高电平时触发。
- **下降沿中断：**当GPIO输入端口从高电平变为低电平时触发。
- **电平中断：**当GPIO输入端口保持特定电平（高电平或低电平）时触发。

### GPIO事件

GPIO事件与中断类似，但不会触发中断服务程序。相反，它们会触发DMA传输或其他事件。STM32单片机支持以下GPIO事件：

- **上升沿事件：**当GPIO输入端口从低电平变为高电平时触发。
- **下降沿事件：**当GPIO输入端口从高电平变为低电平时触发。
- **电平事件：**当GPIO输入端口保持特定电平（高电平或低电平）时触发。

## 2.3 GPIO高级特性

### 复用功能

GPIO端口可以复用为其他功能，例如：

- **定时器输入/输出：**用于连接到定时器外设。
- **ADC输入：**用于连接到ADC外设。
- **DAC输出：**用于连接到DAC外设。

### 上拉/下拉电阻

GPIO端口可以配置为具有上拉或下拉电阻，以提供默认电平或防止浮空状态。

### 滤波器

GPIO端口可以配置为具有滤波器，以消除输入信号中的噪声。

### 举例：配置GPIO端口为输出模式

// 配置GPIO端口A的第5位为输出模式
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;  // 使能GPIOA时钟
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE5;    // 清除MODER5位
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_0;    // 设置MODER5位为0，配置为输出模式

**代码逻辑分析：**

1. 使能GPIOA时钟，确保GPIOA外设已供电。
2. 清除GPIOA->MODER寄存器的MODE5位，将MODE5位复位为0。
3. 设置GPIOA->MODER寄存器的MODE5位为0，配置GPIOA的第5位为输出模式。

### 举例：配置GPIO端口中断

// 配置GPIO端口A的第5位为上升沿中断
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;  // 使能GPIOA时钟
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE5;    // 清除MODER5位
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_0;    // 设置MODER5位为0，配置为输出模式
GPIOA->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPD5_0;    // 设置PUPDR5位为0，配置为上拉
GPIOA->IMR |= GPIO_IMR_IM5;           // 使能GPIOA的第5位中断

**代码逻辑分析：**

1. 使能GPIOA时钟，确保GPIOA外设已供电。
2. 清除GPIOA->MODER寄存器的MODE5位，将MODE5位复位为0。
3. 设置GPIOA->MODER寄存器的MODE5位为0，配置GPIOA的第5位为输出模式。
4. 设置GPIOA->PUPDR寄存器的PUPD5位为0，配置GPIOA的第5位为上拉。
5. 设置GPIOA->IMR寄存器的IM5位为1，使能GPIOA的第5位中断。

# 3.1 GPIO输入模式

**GPIO输入模式概述**

GPIO输入模式允许外部信号通过I/O端口输入到MCU。它有以下几种类型：

- **浮空输入模式 (GPIO_MODE_INPUT)**：端口悬空，无拉/下拉电阻，输入信号由外部设备提供。
- **下拉输入模式 (GPIO_MODE_INPUT_PU)**：端口连接下拉电阻，当没有外部信号输入时，端口输出低电平。
- **上拉输入模式 (GPIO_MODE_INPUT_PD)**：端口连接上拉电阻，当没有外部信号输入时，端口输出高电平。

**配置GPIO输入模式**

要配置GPIO输入模式，需要使用以下寄存器：

GPIOx_MODER (x = A, B, C, D, E, F, G, H)

**寄存器结构：**

| 位 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 0-1 | MODER0 | 第0引脚模式 |
| 2-3 | MODER1 | 第1引脚模式 |
| ... | ... | ... |
| 14-15 | MODER7 | 第7引脚模式 |

**配置步骤：**

1. 清除相应引脚的MODER位（置0）。
2. 设置相应引脚的MODER位为输入模式。

**代码示例：**

// 配置GPIOA第0引脚为浮空输入模式
GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2));
GPIOA->MODER |= (0 << (0 * 2));

// 配置GPIOB第1引脚为下拉输入模式
GPIOB->MODER &= ~(3 << (1 * 2));
GPIOB->MODER |= (1 << (1 * 2));

### 3.2 GPIO中断输入

**GPIO中断输入概述**

GPIO中断输入允许在外部信号发生变化时触发中断。它有以下几种触发方式：

- **上升沿触发 (GPIO_EXTI_TRIGGER_RISING)**：当输入信号从低电平变为高电平时触发中断。
- **下降沿触发 (GPIO_EXTI_TRIGGER_FALLING)**：当输入信号从高电平变为低电平时触发中断。
- **双边沿触发 (GPIO_EXTI_TRIGGER_RISING_FALLING)**：当输入信号发生任何变化时触发中断。

**配置GPIO中断输入**

要配置GPIO中断输入，需要使用以下寄存器：

- **EXTIx_IMR (x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15)**：中断屏蔽寄存器，设置位为1表示使能中断。
- **EXTIx_RTSR (x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15)**：上升沿触发寄存器，设置位为1表示使能上升沿触发。
- **EXTIx_FTSR (x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15)**：下降沿触发寄存器，设置位为1表示使能下降沿触发。

**配置步骤：**

1. 使能中断：设置EXTIx_IMR相应位为1。
2. 选择触发方式：设置EXTIx_RTSR或EXTIx_FTSR相应位为1。

**代码示例：**

// 配置GPIOA第0引脚为上升沿触发中断
EXTI0->IMR |= (1 << 0);
EXTI0->RTSR |= (1 << 0);

// 配置GPIOB第1引脚为双边沿触发中断
EXTI1->IMR |= (1 << 1);
EXTI1->RTSR |= (1 << 1);
EXTI1->FTSR |= (1 << 1);

### 3.3 GPIO模拟输入

**GPIO模拟输入概述**

GPIO模拟输入允许将外部模拟信号转换为数字信号。它有以下特点：

- **12位分辨率**：ADC转换结果为12位数据。
- **可编程采样时间**：采样时间可从2.5μs到239.5μs进行配置。
- **多通道**：每个STM32 MCU都有多个ADC通道，允许同时转换多个模拟信号。

**配置GPIO模拟输入**

要配置GPIO模拟输入，需要使用以下寄存器：

- **ADCx_CR1 (x = 1, 2, 3)**：ADC控制寄存器1，用于配置采样时间和转换模式。
- **ADCx_CR2 (x = 1, 2, 3)**：ADC控制寄存器2，用于配置通道选择和触发源。
- **ADCx_SQR1 (x = 1, 2, 3)**：ADC序列寄存器1，用于配置转换顺序。
- **ADCx_DR (x = 1, 2, 3)**：ADC数据寄存器，用于存储转换结果。

**配置步骤：**

1. 使能ADC：设置ADCx_CR2的ADON位为1。
2. 配置采样时间：设置ADCx_CR1的TSV01位和TSV00位。
3. 选择通道：设置ADCx_SQR1的SQ1位和SQ0位。
4. 启动转换：设置ADCx_CR2的SWSTART位为1。

**代码示例：**

// 配置GPIOA第0引脚为模拟输入
ADC1->CR2 |= (1 << 0); // 使能ADC1
ADC1->CR1 &= ~(7 << 16); // 设置采样时间为2.5μs
ADC1->CR1 |= (0 << 16);
ADC1->SQR1 &= ~(0x1F << 6); // 选择GPIOA第0引脚作为通道1
ADC1->SQR1 |= (0 << 6);
ADC1->CR2 |= (1 << 30); // 启动转换

# 4. STM32 I_O端口输出操作

STM32 I/O端口输出操作是通过配置GPIO端口为输出模式并设置输出电平来实现的。本章节将详细介绍GPIO输出模式、中断输出和模拟输出。

### 4.1 GPIO输出模式

GPIO输出模式允许STM32 I/O端口驱动外部设备或电路。有两种主要的GPIO输出模式：推挽输出和开漏输出。

**推挽输出**

推挽输出模式下，GPIO端口可以输出高电平（VCC）或低电平（GND）。当GPIO端口配置为推挽输出时，它内部集成了一个推挽式驱动器，该驱动器可以将输出电平切换到高电平或低电平。

**代码块：**

/* 配置GPIOA引脚0为推挽输出 */
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_0;

**逻辑分析：**

* RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN：使能GPIOA时钟。
* GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0：清除GPIOA引脚0的模式位。
* GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_0：将GPIOA引脚0配置为推挽输出模式。

**开漏输出**

开漏输出模式下，GPIO端口只能输出低电平（GND）。当GPIO端口配置为开漏输出时，它内部集成了一个开漏式驱动器，该驱动器可以将输出电平切换到低电平，但不能切换到高电平。要输出高电平，需要外部上拉电阻将输出电平拉高到VCC。

**代码块：**

/* 配置GPIOA引脚1为开漏输出 */
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE1;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE1_0;

**逻辑分析：**

* RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN：使能GPIOA时钟。
* GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE1：清除GPIOA引脚1的模式位。
* GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE1_0：将GPIOA引脚1配置为开漏输出模式。

### 4.2 GPIO中断输出

GPIO中断输出允许STM32 I/O端口在输出电平发生变化时触发中断。有两种类型的GPIO中断输出：下降沿中断和上升沿中断。

**下降沿中断**

下降沿中断在GPIO端口输出电平从高电平切换到低电平时触发。要使能下降沿中断，需要配置GPIO端口的中断控制寄存器（EXTI）。

**代码块：**

/* 配置GPIOA引脚2为下降沿中断 */
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE2;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE2_0;
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR2;
EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR2;

**逻辑分析：**

* RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN：使能GPIOA时钟。
* GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE2：清除GPIOA引脚2的模式位。
* GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE2_0：将GPIOA引脚2配置为输出模式。
* EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR2：使能GPIOA引脚2的中断。
* EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR2：配置GPIOA引脚2为下降沿触发。

**上升沿中断**

上升沿中断在GPIO端口输出电平从低电平切换到高电平时触发。要使能上升沿中断，需要配置GPIO端口的中断控制寄存器（EXTI）。

**代码块：**

/* 配置GPIOA引脚3为上升沿中断 */
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE3;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE3_0;
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR3;
EXTI->FTSR |= EXTI_FTSR_TR3;

**逻辑分析：**

* RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN：使能GPIOA时钟。
* GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE3：清除GPIOA引脚3的模式位。
* GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE3_0：将GPIOA引脚3配置为输出模式。
* EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR3：使能GPIOA引脚3的中断。
* EXTI->FTSR |= EXTI_FTSR_TR3：配置GPIOA引脚3为上升沿触发。

### 4.3 GPIO模拟输出

GPIO模拟输出允许STM32 I/O端口输出模拟电压。有两种类型的GPIO模拟输出：DAC输出和PWM输出。

**DAC输出**

DAC（数字模拟转换器）输出允许STM32 I/O端口输出模拟电压，该电压由数字值控制。DAC输出可以通过软件配置，以输出不同范围的模拟电压。

**代码块：**

/* 配置GPIOA引脚4为DAC输出 */
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE4;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE4_0;
DAC->CR |= DAC_CR_EN1;
DAC->DHR12R1 = 0x0FFF;

**逻辑分析：**

* RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN：使能GPIOA时钟。
* GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE4：清除GPIOA引脚4的模式位。
* GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE4_0：将GPIOA引脚4配置为模拟输出模式。
* DAC->CR |= DAC_CR_EN1：使能DAC1。
* DAC->DHR12R1 = 0x0FFF：将DAC1输出电压设置为最大值。

**PWM输出**

PWM（脉宽调制）输出允许STM32 I/O端口输出模拟电压，该电压由脉冲宽度调制。PWM输出可以通过软件配置，以输出不同频率和占空比的模拟电压。

**代码块：**

/* 配置GPIOA引脚5为PWM输出 */
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE5;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_1;
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
TIM2->CCR1 = 0x0FFF;
TIM2->ARR = 0x3FFF;

**逻辑分析：**

* RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN：使能GPIOA时钟。
* GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE5：清除GPIOA引脚5的模式位。
* GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_1：将GPIOA引脚5配置为交替功能模式。
* TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN：使能定时器2。
* TIM2->CCR1 = 0x0FFF：设置定时器2通道1的比较值。
* TIM2->ARR = 0x3FFF：设置定时器2的自动重装载值。

# 5.1 LED控制

LED（发光二极管）是一种广泛使用的半导体器件，常用于指示灯、显示屏和照明等应用。STM32单片机具有丰富的GPIO功能，可以轻松控制LED。

### 配置GPIO引脚

要使用GPIO引脚控制LED，首先需要配置引脚为输出模式。可以使用以下代码：

// 将GPIOA的第5个引脚配置为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

### 控制LED

配置好GPIO引脚后，就可以使用HAL库函数控制LED。以下代码将LED点亮：

// 点亮LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

### 熄灭LED

要熄灭LED，可以使用以下代码：

// 熄灭LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);

### 闪烁LED

通过交替点亮和熄灭LED，可以实现闪烁效果。以下代码每500ms闪烁一次LED：

while (1) {
  // 点亮LED
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(500);

  // 熄灭LED
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(500);
}