揭秘STM32 GPIO编程精髓：掌握输入_输出操作的奥秘

# 1. STM32 GPIO简介**

STM32 GPIO（通用输入输出端口）是STM32微控制器中负责与外部设备进行数据交互的重要外设。GPIO引脚可以配置为输入或输出模式，并支持各种电平和中断功能。

GPIO引脚通常分为两类：输入引脚和输出引脚。输入引脚用于读取外部设备的状态，而输出引脚用于驱动外部设备。GPIO引脚的配置由寄存器控制，这些寄存器允许设置引脚模式、电平和中断触发方式。

STM32 GPIO具有灵活性和可配置性，使其适用于广泛的应用，包括按钮输入、LED输出、传感器接口和中断处理。

# 2. GPIO输入输出模式

### 2.1 输入模式

GPIO输入模式是指GPIO引脚作为输入端，接收外部信号的模式。STM32提供了多种输入模式，以满足不同的应用需求。

#### 2.1.1 浮空输入

浮空输入模式是最基本的输入模式。在这种模式下，GPIO引脚不与任何外部电路连接，处于高阻抗状态。当没有外部信号输入时，GPIO引脚的电平由内部上拉或下拉电阻决定。

#### 2.1.2 上拉输入

上拉输入模式在GPIO引脚和电源之间连接了一个上拉电阻。当没有外部信号输入时，上拉电阻将GPIO引脚拉高到高电平。这种模式适用于需要检测外部开关或按钮的应用。

#### 2.1.3 下拉输入

下拉输入模式在GPIO引脚和地之间连接了一个下拉电阻。当没有外部信号输入时，下拉电阻将GPIO引脚拉低到低电平。这种模式适用于需要检测外部传感器或逻辑电路的应用。

### 2.2 输出模式

GPIO输出模式是指GPIO引脚作为输出端，向外部电路输出信号的模式。STM32提供了多种输出模式，以满足不同的驱动要求。

#### 2.2.1 推挽输出

推挽输出模式是最常见的输出模式。在这种模式下，GPIO引脚直接连接到一个推挽式输出级。推挽式输出级可以输出高电平或低电平，并具有较强的驱动能力。

#### 2.2.2 开漏输出

开漏输出模式在GPIO引脚和地之间连接了一个开漏晶体管。当GPIO引脚输出低电平时，开漏晶体管导通，将GPIO引脚拉低到低电平。当GPIO引脚输出高电平时，开漏晶体管截止，GPIO引脚处于高阻抗状态。这种模式适用于需要与其他逻辑电路或设备共用输出线的应用。

#### 2.2.3 复用推挽输出

复用推挽输出模式是一种特殊的输出模式，它允许GPIO引脚同时输出数字信号和模拟信号。在这种模式下，GPIO引脚连接到一个复用推挽式输出级，该输出级既可以输出数字信号，也可以输出模拟信号。

# 3. GPIO输入输出操作**

### 3.1 输入操作

**3.1.1 读入GPIO电平**

读入GPIO电平操作用于获取GPIO引脚当前的电平状态。STM32提供了两种读入GPIO电平的方法：

* **直接读寄存器：**通过直接访问GPIO寄存器读取电平状态。例如，对于GPIOA的第5个引脚，可以使用以下代码读取其电平：

uint8_t gpio_level = GPIOA->IDR & (1 << 5);

* **使用HAL库函数：**HAL库提供了更简单的读入GPIO电平函数，例如：

HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

**3.1.2 检测GPIO电平变化**

检测GPIO电平变化操作用于监控GPIO引脚电平状态的变化。STM32提供了两种检测GPIO电平变化的方法：

* **中断：**配置GPIO中断，当电平状态发生变化时触发中断。中断服务程序中可以读取电平状态并进行相应的处理。
* **轮询：**定期轮询GPIO引脚的电平状态，并与上次读取的状态进行比较。如果电平状态发生变化，则可以进行相应的处理。

### 3.2 输出操作

**3.2.1 设置GPIO电平**

设置GPIO电平操作用于将GPIO引脚输出到指定电平。STM32提供了两种设置GPIO电平的方法：

* **直接写寄存器：**通过直接访问GPIO寄存器设置电平状态。例如，对于GPIOA的第5个引脚，可以使用以下代码设置其电平为高：

GPIOA->ODR |= (1 << 5);

* **使用HAL库函数：**HAL库提供了更简单的设置GPIO电平函数，例如：

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

**3.2.2 翻转GPIO电平**

翻转GPIO电平操作用于将GPIO引脚的电平状态从高电平翻转为低电平，或从低电平翻转为高电平。STM32提供了两种翻转GPIO电平的方法：

* **直接写寄存器：**通过直接访问GPIO寄存器翻转电平状态。例如，对于GPIOA的第5个引脚，可以使用以下代码翻转其电平：

GPIOA->ODR ^= (1 << 5);

* **使用HAL库函数：**HAL库提供了更简单的翻转GPIO电平函数，例如：

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

# 4. GPIO中断处理**

**4.1 GPIO中断配置**

**4.1.1 中断源选择**

STM32的GPIO中断源可以是单个GPIO引脚或GPIO端口。对于单个GPIO引脚，中断源由引脚号确定。对于GPIO端口，中断源由端口号确定。

**4.1.2 中断触发方式**

GPIO中断可以由以下触发方式触发：

* **上升沿触发：**当GPIO电平从低电平上升到高电平时触发中断。
* **下降沿触发：**当GPIO电平从高电平下降到低电平时触发中断。
* **电平触发：**当GPIO电平保持在高电平或低电平时触发中断。
* **任意沿触发：**当GPIO电平发生任何变化时触发中断。

**4.1.3 中断优先级**

每个GPIO中断源都有一个可配置的中断优先级。中断优先级决定了中断处理的顺序。优先级较高的中断将在优先级较低的中断之前处理。

**4.2 GPIO中断服务程序**

**4.2.1 中断处理流程**

当GPIO中断触发时，MCU会执行以下中断处理流程：

1. 保存当前程序计数器（PC）和程序状态寄存器（PSR）。
2. 跳转到中断向量表中的GPIO中断服务程序（ISR）。
3. ISR读取中断状态寄存器（ISR）以确定触发中断的GPIO引脚或端口。
4. ISR处理中断并清除中断标志。
5. ISR返回到主程序，恢复执行。

**4.2.2 中断处理函数**

GPIO中断服务程序是一个函数，负责处理GPIO中断。ISR的典型结构如下：

void GPIO_IRQHandler(void)
{
    // 读取中断状态寄存器以确定触发中断的GPIO引脚或端口
    uint32_t status = GPIOx->ISR;

    // 清除中断标志
    GPIOx->ICR = status;

    // 处理中断
    if (status & GPIO_PIN_0) {
        // GPIO引脚0触发中断
    } else if (status & GPIO_PIN_1) {
        // GPIO引脚1触发中断
    } else {
        // 其他GPIO引脚或端口触发中断
    }
}

**代码块解释：**

* `GPIOx->ISR`读取中断状态寄存器以确定触发中断的GPIO引脚或端口。
* `GPIOx->ICR = status`清除中断标志。
* `if (status & GPIO_PIN_0)`检查是否GPIO引脚0触发中断。
* `if (status & GPIO_PIN_1)`检查是否GPIO引脚1触发中断。
* `else`处理其他GPIO引脚或端口触发中断的情况。

# 5.1 GPIO复用功能

### 5.1.1 复用功能简介

GPIO复用功能允许GPIO引脚同时具有多个功能，例如既可以作为GPIO引脚，又可以作为其他外设的引脚。STM32系列MCU中，GPIO复用功能通过复用器来实现。

### 5.1.2 复用功能配置

要配置GPIO复用功能，需要执行以下步骤：

1. **确定要复用的GPIO引脚：**查看STM32 MCU手册，确定要复用的GPIO引脚支持哪些复用功能。
2. **配置复用器：**使用寄存器操作，配置复用器将GPIO引脚复用为所需的功能。
3. **配置GPIO引脚：**配置GPIO引脚的模式和电气特性，以匹配复用功能的要求。

**代码示例：**

/* 复用GPIOA0引脚为UART1_TX */
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;  // 使能UART1时钟
GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE0 | GPIO_CRH_CNF0);  // 清除原配置
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_1 | GPIO_CRH_CNF0_1;  // 设置复用模式为UART1_TX

**参数说明：**

* `RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;`：使能UART1时钟。
* `GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE0 | GPIO_CRH_CNF0);`：清除原配置，包括模式和电气特性。
* `GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE0_1 | GPIO_CRH_CNF0_1;`：设置复用模式为UART1_TX，其中`GPIO_CRH_MODE0_1`表示复用模式为1，`GPIO_CRH_CNF0_1`表示电气特性为复用推挽输出。