STM32单片机GPIO编程详解：深入理解引脚输入输出控制

# 1. STM32 GPIO概述**

STM32单片机的GPIO（通用输入输出）接口是一种灵活且强大的外设，用于与外部设备进行交互。GPIO引脚可以配置为输入或输出，并可以连接到各种外部设备，如传感器、LED和按钮。

GPIO接口由一组引脚组成，每个引脚都可以独立配置。每个引脚都有一个模式寄存器，用于设置引脚的模式（输入、输出、中断等），以及一个数据寄存器，用于读取或写入引脚上的数据。

# 2. GPIO编程基础

### 2.1 GPIO引脚配置

#### 2.1.1 引脚模式设置

STM32的GPIO引脚可以配置为多种模式，包括输入、输出、推挽输出、开漏输出等。引脚模式设置通过GPIO寄存器中的MODER寄存器进行配置。

// 设置GPIOA引脚0为输入模式
GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2));
GPIOA->MODER |= (0 << (0 * 2));

代码逻辑逐行解读：

1. `GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2))`: 清除MODER寄存器中引脚0对应的模式位。
2. `GPIOA->MODER |= (0 << (0 * 2))`: 设置引脚0为输入模式。

#### 2.1.2 引脚输出类型设置

对于输出模式的引脚，还可以设置输出类型，包括推挽输出和开漏输出。输出类型设置通过GPIO寄存器中的OTYPER寄存器进行配置。

// 设置GPIOA引脚0为推挽输出类型
GPIOA->OTYPER &= ~(1 << 0);

代码逻辑逐行解读：

1. `GPIOA->OTYPER &= ~(1 << 0)`: 清除OTYPER寄存器中引脚0对应的输出类型位。
2. `GPIOA->OTYPER |= (0 << 0)`: 设置引脚0为推挽输出类型。

### 2.2 GPIO输入输出操作

#### 2.2.1 GPIO引脚读取

GPIO引脚的输入值可以通过GPIO寄存器中的IDR寄存器读取。

// 读取GPIOA引脚0的输入值
uint8_t input_value = GPIOA->IDR & (1 << 0);

代码逻辑逐行解读：

1. `GPIOA->IDR & (1 << 0)`: 读取IDR寄存器中引脚0对应的输入值。
2. `uint8_t input_value = GPIOA->IDR & (1 << 0)`: 将读取到的输入值赋给变量input_value。

#### 2.2.2 GPIO引脚写入

GPIO引脚的输出值可以通过GPIO寄存器中的ODR寄存器写入。

// 将GPIOA引脚0输出高电平
GPIOA->ODR |= (1 << 0);

代码逻辑逐行解读：

1. `GPIOA->ODR |= (1 << 0)`: 将ODR寄存器中引脚0对应的输出值置为高电平。

# 3.1 GPIO中断配置

#### 3.1.1 中断源选择

STM32的GPIO中断源选择可以通过GPIO中断寄存器（EXTI）进行配置。EXTI寄存器包含32位，每一位对应一个GPIO引脚。当对应引脚发生中断事件时，EXTI寄存器中的相应位会被置1。

中断源选择可以通过以下步骤进行：

1. 确定要配置中断的GPIO引脚。
2. 根据GPIO引脚号，找到对应的EXTI线。
3. 设置EXTI线的中断源。

例如，要配置PA0引脚的中断，需要设置EXTI0的中断源。这可以通过设置EXTI0寄存器中的IMR位（中断掩码寄存器）来实现。

// 设置PA0引脚的中断源
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN; // 使能SYSCFG时钟
SYSCFG->EXTICR[0] |= SYSCFG_EXTICR1_EXTI0_PA; // 设置EXTI0的中断源为PA0

#### 3.1.2 中断优先级设置

GPIO中断的优先级可以通过NVIC寄存器（嵌套矢量中断控制器）进行配置。NVIC寄存器包含8位，每一位对应一个中断向量。中断向量的优先级由NVIC寄存器中的IPR位（中断优先级寄存器）设置。

中断优先级设置可以通过以下步骤进行：

1. 确定要配置中断的GPIO引脚。
2. 根据GPIO引脚号，找到对应的NVIC中断向量。
3. 设置NVIC中断向量的优先级。

例如，要配置PA0引脚中断的优先级为3，需要设置NVIC中断向量EXTI0_IRQn的IPR位为3。

// 设置PA0引脚中断的优先级为3
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 3);

# 4. GPIO高级应用

### 4.1 GPIO多路复用

#### 4.1.1 引脚复用功能介绍

GPIO多路复用是指一个GPIO引脚可以同时连接到多个外设。STM32单片机支持多路复用功能，允许GPIO引脚连接到不同的外设，如定时器、串口、ADC等。这样可以节省IO资源，提高系统灵活性。

#### 4.1.2 引脚复用配置

GPIO引脚复用配置需要通过寄存器操作来实现。STM32单片机中，每个GPIO引脚都有一个对应的寄存器，用于配置引脚的模式、类型和复用功能。

以下代码演示了如何配置GPIOA引脚0为复用功能：

// 设置GPIOA引脚0为复用功能
GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2));
GPIOA->MODER |= (2 << (0 * 2));

// 设置GPIOA引脚0复用功能为定时器2
GPIOA->AFRL &= ~(0xF << (0 * 4));
GPIOA->AFRL |= (1 << (0 * 4));

**代码逻辑分析：**

* 第一行代码将GPIOA引脚0的模式寄存器（MODER）的第0位和第1位清零，将该引脚设置为复用功能。
* 第二行代码将GPIOA引脚0的复用功能寄存器（AFRL）的第0位到第3位清零，然后将第0位设置为1，表示该引脚复用为定时器2。

### 4.2 GPIO模拟输入输出

#### 4.2.1 模拟输入配置

STM32单片机支持模拟输入功能，允许GPIO引脚连接到模拟信号源，如传感器或ADC。模拟输入配置需要通过寄存器操作来实现。

以下代码演示了如何配置GPIOA引脚0为模拟输入：

// 设置GPIOA引脚0为模拟输入
GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2));
GPIOA->MODER |= (3 << (0 * 2));

**代码逻辑分析：**

* 第一行代码将GPIOA引脚0的模式寄存器（MODER）的第0位和第1位设置为1，将该引脚设置为模拟输入模式。

#### 4.2.2 模拟输出配置

STM32单片机也支持模拟输出功能，允许GPIO引脚输出模拟信号，如DAC。模拟输出配置需要通过寄存器操作来实现。

以下代码演示了如何配置GPIOA引脚0为模拟输出：

// 设置GPIOA引脚0为模拟输出
GPIOA->MODER &= ~(3 << (0 * 2));
GPIOA->MODER |= (1 << (0 * 2));

// 设置GPIOA引脚0模拟输出类型为推挽输出
GPIOA->OTYPER &= ~(1 << 0);

// 设置GPIOA引脚0模拟输出速率为低速
GPIOA->OSPEEDR &= ~(3 << (0 * 2));
GPIOA->OSPEEDR |= (1 << (0 * 2));

**代码逻辑分析：**

* 第一行代码将GPIOA引脚0的模式寄存器（MODER）的第0位和第1位设置为1，将该引脚设置为模拟输出模式。
* 第二行代码将GPIOA引脚0的输出类型寄存器（OTYPER）的第0位清零，将该引脚设置为推挽输出。
* 第三行代码将GPIOA引脚0的输出速率寄存器（OSPEEDR）的第0位和第1位设置为1，将该引脚的输出速率设置为低速。

# 5. **5. GPIO编程实战**

**5.1 LED灯控制**

**5.1.1 硬件连接**

* 将LED灯的正极连接到STM32单片机的GPIO引脚。
* 将LED灯的负极连接到地线。
* 使用一个电阻器连接LED灯的正极和GPIO引脚，以限制电流。

**5.1.2 软件实现**

// 引入头文件
#include "stm32f10x.h"

// 初始化LED灯引脚
void LED_Init(void) {
    // 使能GPIO时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置GPIO引脚为输出模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

// 控制LED灯亮灭
void LED_Control(uint8_t state) {
    if (state == 1) {
        // 点亮LED灯
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
    } else {
        // 熄灭LED灯
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
    }
}