GPIO与物联网应用：赋能物联网设备的交互与控制，打造智能互联世界

# 1. GPIO简介与工作原理

GPIO（General Purpose Input/Output）是一种通用输入/输出接口，它允许微控制器与外部设备进行交互。GPIO引脚可以配置为输入或输出，从而可以读取外部信号或驱动外部设备。

GPIO的工作原理基于数字信号，即高电平（1）和低电平（0）。当GPIO引脚配置为输入时，它可以检测外部设备发送的电压信号，并将其转换为数字信号。当GPIO引脚配置为输出时，它可以输出高电平或低电平电压信号，从而驱动外部设备。

# 2. GPIO编程基础

### 2.1 GPIO引脚配置

GPIO引脚配置是GPIO编程的基础，它决定了引脚的工作模式和电气特性。

#### 2.1.1 输入/输出模式配置

GPIO引脚可以配置为输入模式或输出模式。

- **输入模式：**引脚从外部接收信号，并将其输入到微控制器。
- **输出模式：**引脚向外部输出信号，并控制外部设备。

在STM32中，使用GPIOx_MODER寄存器配置引脚模式，其中x为GPIO端口号（A-G）。该寄存器的第2n位和第2n+1位控制第n个引脚的模式，具体配置如下：

| 配置 | 模式 |
|---|---|
| 00 | 输入模式 |
| 01 | 输出模式 |
| 10 | 复用功能模式 |
| 11 | 保留 |

例如，要将GPIOA的第5个引脚配置为输出模式，可以设置GPIOA_MODER寄存器的第10位和第11位为01。

// 设置GPIOA第5个引脚为输出模式
GPIOA_MODER &= ~(3 << (5 * 2));
GPIOA_MODER |= (1 << (5 * 2));

#### 2.1.2 上拉/下拉电阻配置

当GPIO引脚配置为输入模式时，可以配置上拉电阻或下拉电阻，以防止引脚浮空。

- **上拉电阻：**将引脚拉高到电源电压。
- **下拉电阻：**将引脚拉低到地电压。

在STM32中，使用GPIOx_PUPDR寄存器配置上拉/下拉电阻，其中x为GPIO端口号（A-G）。该寄存器的第2n位和第2n+1位控制第n个引脚的上拉/下拉电阻配置，具体配置如下：

| 配置 | 模式 |
|---|---|
| 00 | 无上拉/下拉电阻 |
| 01 | 上拉电阻 |
| 10 | 下拉电阻 |
| 11 | 保留 |

例如，要将GPIOA的第5个引脚配置为上拉电阻，可以设置GPIOA_PUPDR寄存器的第10位和第11位为01。

// 设置GPIOA第5个引脚为上拉电阻
GPIOA_PUPDR &= ~(3 << (5 * 2));
GPIOA_PUPDR |= (1 << (5 * 2));

### 2.2 GPIO中断处理

GPIO中断处理允许微控制器在GPIO引脚状态发生变化时触发中断。

#### 2.2.1 中断类型和触发方式

STM32的GPIO中断可以配置为以下类型：

- **外部中断：**当GPIO引脚状态发生变化时触发中断。
- **上升沿中断：**当GPIO引脚从低电平变为高电平时触发中断。
- **下降沿中断：**当GPIO引脚从高电平变为低电平时触发中断。
- **电平中断：**当GPIO引脚保持在特定电平时触发中断。

在STM32中，使用GPIOx_EXTICR寄存器配置中断类型和触发方式，其中x为GPIO端口号（A-G）。该寄存器的第4n位到第4n+3位控制第n个引脚的中断类型和触发方式，具体配置如下：

| 配置 | 类型 | 触发方式 |
|---|---|---|
| 0000 | 无中断 | 无 |
| 0001 | 外部中断 | 上升沿 |
| 0010 | 外部中断 | 下降沿 |
| 0011 | 外部中断 | 上升沿和下降沿 |
| 0100 | 外部中断 | 电平中断 |
| 其他 | 保留 | 保留 |

例如，要将GPIOA的第5个引脚配置为上升沿中断，可以设置GPIOA_EXTICR寄存器的第20位到第23位为0001。

// 设置GPIOA第5个引脚为上升沿中断
GPIOA_EXTICR1 &= ~(0xF << (5 * 4));
GPIOA_EXTICR1 |= (1 << (5 * 4));

#### 2.2.2 中断处理函数编写

当GPIO中断触发时，会调用相应的中断处理函数。中断处理函数需要编写在中断服务程序（ISR）中。

在STM32中，GPIO中断处理函数一般命名为`EXTIx_IRQHandler`，其中x为GPIO端口号（A-G）。例如，GPIOA的中断处理函数为`EXTI0_IRQHandler`。

在中断处理函数中，需要读取GPIOx_IDR寄存器以获取引脚状态，并根据引脚状态执行相应的操作。

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 读取GPIOA第5个引脚的状态
    uint32_t pin_state =