STM32单片机GPIO编程：掌握引脚配置、模式和中断的精髓

# 1. STM32 GPIO 简介**

GPIO（通用输入输出）是 STM32 微控制器上一个重要的外设，它允许与外部设备进行交互。GPIO 引脚可以配置为输入或输出，并具有各种电气特性，使其适用于各种应用。本章将介绍 STM32 GPIO 的基本概念、引脚配置和输入输出操作。

# 2. GPIO 编程基础

### 2.1 GPIO 引脚配置

#### 2.1.1 引脚模式设置

GPIO 引脚的模式设置决定了引脚的功能，可以配置为输入、输出、模拟输入或模拟输出。

// 设置 GPIOA 引脚 0 为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

**参数说明：**

* `GPIO_PIN_0`：引脚编号，范围为 0~15
* `GPIO_MODE_OUTPUT_PP`：输出模式，推挽输出

#### 2.1.2 引脚电气特性配置

GPIO 引脚的电气特性配置包括电阻、速度和下拉/上拉电阻。

// 设置 GPIOA 引脚 1 为输入模式，带下拉电阻
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

**参数说明：**

* `GPIO_MODE_INPUT`：输入模式
* `GPIO_PULLDOWN`：下拉电阻

### 2.2 GPIO 输入输出操作

#### 2.2.1 数字输入输出

GPIO 引脚可以作为数字输入或输出使用，通过设置或读取引脚电平来实现。

// 设置 GPIOA 引脚 2 为高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);

// 读取 GPIOA 引脚 3 的电平
uint8_t pin_level = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_3);

**参数说明：**

* `GPIO_PIN_SET`：设置高电平
* `GPIO_PIN_RESET`：设置低电平
* `HAL_GPIO_ReadPin`：读取引脚电平，返回 0 或 1

#### 2.2.2 模拟输入输出

GPIO 引脚也可以作为模拟输入或输出使用，通过 ADC 或 DAC 模块实现。

// 设置 GPIOA 引脚 4 为模拟输入
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 设置 GPIOA 引脚 5 为模拟输出
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG_OUT;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

**参数说明：**

* `GPIO_MODE_ANALOG`：模拟输入模式
* `GPIO_MODE_ANALOG_OUT`：模拟输出模式

# 3.1 GPIO 中断配置

#### 3.1.1 中断源选择

STM32 的 GPIO 中断源可以分为外部中断和内部中断。外部中断是由外部信号触发，而内部中断是由 GPIO 引脚本身的状态变化触发。

**外部中断**

外部中断源有 16 个，对应于 GPIOA 到 GPIOF 的 16 个引脚。每个引脚可以配置为中断源，并可以设置中断触发方式，包括上升沿、下降沿、双沿、低电平和高电平触发。

**内部中断**

内部中断源有 8 个，对应于 GPIOA 到 GPIOF 的 8 个端口。每个端口可以配置为中断源，并可以设置中断触发方式，包括上升沿、下降沿、双沿、低电平和高电平触发。

#### 3.1.2 中断优先级设置

STM32 的 GPIO 中断优先级分为 4 级，从 0 到 3，其中 0 级优先级最高，3 级优先级最低。中断优先级可以通过寄存器配置，每个中断源可以单独设置优先级。

### 3.2 GPIO 中断处理函数

#### 3.2.1 中断服务函数编写

中断服务函数是当 GPIO 中断发生时执行的代码。中断服务函数的编写需要遵循以下步骤：

1. **声明中断服务函数：**中断服务函数需要声明为 `void EXTIx_IRQHandler(void)`，其中 `x` 为中断源号。
2. **保存寄存器：**在中断服务函数的开头，需要保存寄存器，以避免寄存器被其他中断或异常修改。
3. **清除中断标志：**中断发生后，需要清除中断标志，以防止中断重复触发。
4. **执行中断处理：**在中断处理函数中，需要执行中断处理代码，例如读取 GPIO 引脚状态、控制 LED 等。
5. **恢复寄存器：**在中断服务函数的结尾，需要恢复寄存器，以恢复中断前的状态。

#### 3.2.2 中断处理流程

GPIO 中断处理流程如下：

1. **中断源触发：**当 GPIO 引脚的状态发生变化时，会触发中断源。
2. **中断控制器响应：**中断控制器收到中断源信号后，会根据中断优先级决定是否响应中断。
3. **中断服务函数执行：**如果中断控制器响应中断，则会执行对应的中断服务函数。
4. **中断处理：**在中断服务函数中，执行中断处理代码，例如读取 GPIO 引脚状态、控制 LED 等。
5. **中断返回：**中断处理完成后，中断服务函数返回，中断控制器恢复中断前的状态。

# 4. GPIO 实践应用

### 4.1 LED 控制

#### 4.1.1 LED 初始化

**代码块：**

// 初始化 LED 引脚
void LED_Init(void)
{
    // 使能 GPIOA 时钟
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

    // 设置 PA5 为输出模式
    GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE5;
    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_0;

    // 设置 PA5 为推挽输出
    GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT5;
}

**逻辑分析：**

* 首先，使能 GPIOA 时钟，确保 GPIOA 可以正常工作。
* 然后，将 PA5 引脚配置为输出模式，允许它输出信号。
* 最后，将 PA5 引脚配置为推挽输出，使它能够驱动外部负载。

**参数说明：**

* `RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;`：使能 GPIOA 时钟。
* `GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE5;`：清除 PA5 引脚的模式位。
* `GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE5_0;`：设置 PA5 引脚为输出模式。
* `GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT5;`：清除 PA5 引脚的输出类型位。

#### 4.1.2 LED 闪烁控制

**代码块：**

// LED 闪烁控制
void LED_Blink(void)
{
    while (1)
    {
        // 点亮 LED
        GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_OD5;

        // 延时 500ms
        HAL_Delay(500);

        // 熄灭 LED
        GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_OD5;

        // 延时 500ms
        HAL_Delay(500);
    }
}

**逻辑分析：**

* 在一个无限循环中，不断点亮和熄灭 LED。
* `GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_OD5;`：点亮 LED。
* `HAL_Delay(500);`：延时 500ms。
* `GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_OD5;`：熄灭 LED。
* `HAL_Delay(500);`：延时 500ms。

**参数说明：**

* `GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_OD5;`：设置 PA5 引脚为高电平，点亮 LED。
* `HAL_Delay(500);`：调用 HAL 库函数延时 500ms。
* `GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_OD5;`：清除 PA5 引脚为低电平，熄灭 LED。

### 4.2 按键检测

#### 4.2.1 按键初始化

**代码块：**

// 按键初始化
void Button_Init(void)
{
    // 使能 GPIOC 时钟
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOCEN;

    // 设置 PC13 为输入模式
    GPIOC->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE13;

    // 设置 PC13 为上拉输入
    GPIOC->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPD13_1;
}

**逻辑分析：**

* 首先，使能 GPIOC 时钟，确保 GPIOC 可以正常工作。
* 然后，将 PC13 引脚配置为输入模式，允许它接收外部信号。
* 最后，将 PC13 引脚配置为上拉输入，使它在没有外部信号时保持高电平。

**参数说明：**

* `RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOCEN;`：使能 GPIOC 时钟。
* `GPIOC->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE13;`：清除 PC13 引脚的模式位。
* `GPIOC->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPD13_1;`：设置 PC13 引脚为上拉输入。

#### 4.2.2 按键状态检测

**代码块：**

// 按键状态检测
uint8_t Button_GetState(void)
{
    // 读取 PC13 引脚电平
    uint8_t state = (GPIOC->IDR & GPIO_IDR_ID13) >> 13;

    // 返回按键状态
    return state;
}

**逻辑分析：**

* 读取 PC13 引脚的电平，并将其存储在 `state` 变量中。
* 如果 PC13 引脚电平为高，则 `state` 为 1，表示按键未按下。
* 如果 PC13 引脚电平为低，则 `state` 为 0，表示按键已按下。

**参数说明：**

* `(GPIOC->IDR & GPIO_IDR_ID13) >> 13;`：读取 PC13 引脚的电平，并右移 13 位，得到按键状态。
* `state`：按键状态，1 表示未按下，0 表示已按下。

# 5. GPIO 高级应用**

### 5.1 GPIO 复用功能

**5.1.1 复用功能介绍**

GPIO 引脚除了基本的输入输出功能外，还具有复用功能，即可以连接到不同的外设模块，如串口、I2C、SPI 等。复用功能的配置允许用户灵活地使用 GPIO 引脚，满足不同的系统需求。

**5.1.2 复用功能配置**

复用功能的配置需要修改 GPIO 寄存器中的 Alternate Function（AF）位域。AF 位域指定了引脚连接到哪个外设模块。以下代码展示了如何配置 GPIOA 引脚 0 的复用功能为串口 1：

// 启用 GPIOA 时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;

// 设置 GPIOA 引脚 0 的复用功能为 AF1（串口 1）
GPIOA->AFR[0] &= ~(0xF << (0 * 4));
GPIOA->AFR[0] |= (0x1 << (0 * 4));

### 5.2 GPIO 时钟配置

**5.2.1 GPIO 时钟源选择**

GPIO 外设的时钟源可以是系统时钟（SYSCLK）或高速时钟（HCLK）。系统时钟的频率通常为 16 MHz，而高速时钟的频率则取决于系统配置。

**5.2.2 GPIO 时钟频率设置**

GPIO 时钟的频率可以通过修改 RCC 寄存器中的 AHB1ENR 和 AHB2ENR 位域来设置。以下代码展示了如何将 GPIOA 外设的时钟源设置为高速时钟：

// 启用 GPIOA 时钟
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;

// 设置 GPIOA 时钟源为高速时钟
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_1;