STM32外设驱动编程：GPIO控制实战

# 1. STM32 GPIO 外设概述

STM32 微控制器中的通用输入/输出 (GPIO) 外设负责管理与外部设备的通信。它提供了一种灵活的方式来配置和操作引脚，允许用户控制外部设备并读取来自外部设备的输入。GPIO 外设在各种应用中至关重要，包括：

- LED 控制
- 按键检测
- 外部中断触发
- 模拟输入
- PWM 输出

# 2. GPIO 寄存器配置与操作

### 2.1 GPIO 寄存器结构

STM32 的 GPIO 寄存器组位于外设总线地址空间中，每个 GPIO 端口都有一个独立的寄存器组。GPIO 寄存器组由以下寄存器组成：

| 寄存器名称 | 描述 |
|---|---|
| GPIOx_MODER | 模式寄存器，用于配置引脚的模式（输入、输出、模拟、复用功能） |
| GPIOx_OTYPER | 输出类型寄存器，用于配置引脚的输出类型（推挽输出、开漏输出） |
| GPIOx_OSPEEDR | 输出速度寄存器，用于配置引脚的输出速度（低速、中速、高速、极高速） |
| GPIOx_PUPDR | 上拉/下拉寄存器，用于配置引脚的上拉/下拉电阻（无、上拉、下拉） |
| GPIOx_IDR | 输入数据寄存器，用于读取引脚的输入电平 |
| GPIOx_ODR | 输出数据寄存器，用于设置引脚的输出电平 |
| GPIOx_BSRR | 置位/复位寄存器，用于同时置位或复位引脚 |
| GPIOx_LCKR | 锁定寄存器，用于锁定/解锁 GPIO 配置寄存器 |
| GPIOx_AFRL/AFRH | 复用功能寄存器，用于配置引脚的复用功能 |

### 2.2 GPIO 模式和引脚配置

GPIO 引脚可以配置为以下模式：

- 输入模式：引脚作为输入，可以读取外部电平。
- 输出模式：引脚作为输出，可以输出高电平或低电平。
- 模拟模式：引脚作为模拟输入，可以连接到模拟外设。
- 复用功能模式：引脚作为特定外设的复用功能，例如 USART、SPI、I2C 等。

引脚模式通过 GPIOx_MODER 寄存器配置，每个引脚有 2 个模式位，如下所示：

GPIOx_MODER[1:0] = 00: 输入模式
GPIOx_MODER[1:0] = 01: 输出模式
GPIOx_MODER[1:0] = 10: 模拟模式
GPIOx_MODER[1:0] = 11: 复用功能模式

### 2.3 GPIO 输入输出操作

GPIO 引脚的输入输出操作可以通过 GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR 寄存器进行。

- 输入操作：读取 GPIOx_IDR 寄存器可以获取引脚的输入电平。
- 输出操作：设置 GPIOx_ODR 寄存器可以设置引脚的输出电平。

// 设置 GPIOA 引脚 5 为输出，输出高电平
GPIOA->MODER = (GPIOA->MODER & ~(3 << (5 * 2))) | (1 << (5 * 2));
GPIOA->ODR |= (1 << 5);

// 读取 GPIOB 引脚 7 的输入电平
uint8_t input_level = (GPIOB->IDR >> 7) & 0x01;

# 3.1 GPIO 中断机制

GPIO 中断是一种由 GPIO 引脚状态变化触发的事件。当连接到 GPIO 引脚的外设或信号发生变化时，将触发中断，从而允许微控制器对该事件做出响应。

STM32 GPIO 中断机制基于嵌套向量中断控制器 (NVIC)。NVIC 负责管理所有中断源，包括 GPIO 中断。每个 GPIO 端口都有一个专用的中断向量，用于处理该端口的所有中断。

GPIO 中断可以配置为以下四种触发方式：

- **上升沿触发：**当 GPIO 引脚从低电平变为高电平时触发中断。
- **下降沿触发：**当 GPIO 引脚从高电平变为低电平时触发中断。
- **任何沿触发：**当 GPIO 引脚发生任何电平变化时触发中断。
- **电平触发：**当 GPIO 引脚保持在特定电平时触发中断。

### 3.2 中断配置和处理

要配置 GPIO 中断，需要执行以下步骤：

1. **配置 GPIO 引脚：**设置 GPIO 引脚为输入或输出模式，并选择所需的触发方式。
2. **使能中断：**使用 `NVIC_EnableIRQ()` 函数使能 GPIO 中断向量。
3. **编写中断服务程序 (ISR)：**编写一个 ISR 来处理 GPIO 中断。ISR 应读取 GPIO 输入寄存器以确定触发中断的引脚，并执行适当的操作。

以下代码示例演示了如何配置 GPIO 中断：

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

// 配置 PA0 为输入，上升沿触发中断
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODER0;
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_0;
GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPDR0;
GPIOA->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPDR0_0;
GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDR_OSPEEDR0;
GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR0;

// 使能 GPIOA 中断
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

// 中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 读取 GPIOA 输入寄存器
    uint32_t gpioa_input = GPIOA->IDR;

    // 检查 PA0 是否触发中断
    if (gpioa_input & GPIO_IDR_IDR0)
    {
        // 执行操作...
    }

    // 清除中断标志
    EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;
}

### 3.3 中断优先级和嵌套

STM32 NVIC 支持中断优先级和嵌套。中断优先级决定了中断的处理顺序，优先级较高的中断将优先处理。中断嵌套允许高优先级中断在处理低优先级中断时被中断。

中断优先级和嵌套可以通过以下寄存器进行配置：

- **NVIC_IPRx：**设置中断 x 的优先级。
- **NVIC_ISPRx：**设置中断 x 是否可被嵌套。

以下代码示例演示了如何配置中断优先级和嵌套：

// 设置 EXTI0 中断优先级为 1
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 1);

// 使能 EXTI0 中断嵌套
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

# 4. GPIO 实战应用

### 4.1 LED 控制

#### 4.1.1 LED 硬件连接

将 LED 的正极连接到 STM32 的 GPIO 引脚，负极连接到地线。

#### 4.1.2 LED 软件控制

// 设置 GPIO 引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

// 打开 LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);

// 关闭 LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

### 4.2 按键检测

#### 4.2.1 按键硬件连接

将按键的一端连接到 STM32 的 GPIO 引脚，另一端连接到地线。

#### 4.2.2 按键软件检测

// 设置 GPIO 引脚为输入模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 检测按键按下
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET) {
  // 按键按下，执行操作
}

### 4.3 外部中断触发

#### 4.3.1 外部中断硬件连接

将外部中断源连接到 STM32 的 GPIO 引脚。

#### 4.3.2 外部中断软件配置

// 设置 GPIO 引脚为外部中断模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 配置外部中断
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI2_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI2_IRQn);

// 外部中断处理函数
void EXTI2_IRQHandler(void) {
  // 清除中断标志位
  HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_2);

  // 执行中断处理操作
}

# 5. GPIO 高级应用

### 5.1 GPIO 复用功能

STM32 的 GPIO 引脚具有复用功能，可以连接到不同的外设模块。复用功能通过 GPIO 寄存器中的 **AFR**（Alternate Function Register）进行配置。

**AFR 寄存器结构：**

typedef struct {
  uint32_t AFRL;  // 低 16 位复用功能寄存器
  uint32_t AFRH;  // 高 16 位复用功能寄存器
} GPIO_TypeDef;

**AFR 寄存器的每 4 位对应一个 GPIO 引脚的复用功能选择。** 例如，对于 GPIOA 引脚 0，其复用功能选择位于 AFRL 寄存器的第 0-3 位。

**复用功能配置步骤：**

1. 设置 GPIO 模式为复用模式（**GPIO_Mode_AF**）。
2. 根据外设模块，配置 AFR 寄存器中的对应位。

### 5.2 GPIO 模拟输入

STM32 的 GPIO 引脚可以配置为模拟输入，用于读取模拟信号。模拟输入功能通过 GPIO 寄存器中的 **ADC**（Analog-to-Digital Converter）配置。

**ADC 寄存器结构：**

typedef struct {
  uint32_t CR1;   // 控制寄存器 1
  uint32_t CR2;   // 控制寄存器 2
  uint32_t SMPR1; // 采样时间寄存器 1
  uint32_t SMPR2; // 采样时间寄存器 2
  uint32_t JOFR1; // 偏移寄存器 1
  uint32_t JOFR2; // 偏移寄存器 2
  uint32_t HTR;   // 定时器寄存器
  uint32_t LTR;   // 定时器寄存器
  uint32_t SQR1;  // 规则序列寄存器 1
  uint32_t SQR2;  // 规则序列寄存器 2
  uint32_t SQR3;  // 规则序列寄存器 3
  uint32_t JSQR;  // 注入序列寄存器
  uint32_t JDR1;  // 数据寄存器 1
  uint32_t JDR2;  // 数据寄存器 2
  uint32_t JDR3;  // 数据寄存器 3
  uint32_t JDR4;  // 数据寄存器 4
  uint32_t DR;    // 数据寄存器
} ADC_TypeDef;

**模拟输入配置步骤：**

1. 设置 GPIO 模式为模拟输入模式（**GPIO_Mode_AIN**）。
2. 配置 ADC 寄存器，设置采样时间、转换模式等参数。
3. 启动 ADC 转换。

### 5.3 GPIO PWM 输出

STM32 的 GPIO 引脚可以配置为 PWM（脉宽调制）输出，用于生成周期性脉冲信号。PWM 输出功能通过 GPIO 寄存器中的 **TIM**（Timer）配置。

**TIM 寄存器结构：**

typedef struct {
  uint32_t CR1;   // 控制寄存器 1
  uint32_t CR2;   // 控制寄存器 2
  uint32_t SMCR;  // 状态机控制寄存器
  uint32_t DIER;  // 中断和事件使能寄存器
  uint32_t SR;    // 状态寄存器
  uint32_t EGR;   // 事件生成寄存器
  uint32_t CCMR1; // 捕获/比较模式寄存器 1
  uint32_t CCMR2; // 捕获/比较模式寄存器 2
  uint32_t CCER;  // 捕获/比较使能寄存器
  uint32_t CNT;   // 计数器寄存器
  uint32_t PSC;   // 预分频器寄存器
  uint32_t ARR;   // 自动重装载寄存器
  uint32_t RCR;   // 重复计数器寄存器
  uint32_t CCR1;  // 捕获/比较寄存器 1
  uint32_t CCR2;  // 捕获/比较寄存器 2
  uint32_t CCR3;  // 捕获/比较寄存器 3
  uint32_t CCR4;  // 捕获/比较寄存器 4
  uint32_t BDTR;  // 失真控制寄存器
  uint32_t DCR;   // DMA 控制寄存器
  uint32_t DMAR;  // DMA 请求寄存器
} TIM_TypeDef;

**PWM 输出配置步骤：**

1. 设置 GPIO 模式为复用模式（**GPIO_Mode_AF**），连接到 TIM 外设。
2. 配置 TIM 寄存器，设置时钟源、分频比、脉冲宽度等参数。
3. 启动 TIM 定时器。

# 6. GPIO 驱动开发实战

### 6.1 GPIO 驱动框架设计

GPIO 驱动框架设计的主要目标是提供一个可重用、可扩展的接口，用于访问和控制 GPIO 外设。框架应遵循以下原则：

- **模块化：**驱动应由独立的模块组成，每个模块负责特定功能。
- **可重用：**模块应设计为可重用，以便可以在不同的应用程序中使用。
- **可扩展：**框架应易于扩展，以支持新的 GPIO 外设或功能。

基于这些原则，GPIO 驱动框架可以设计为以下模块：

- **GPIO 初始化模块：**负责初始化 GPIO 外设和配置引脚模式。
- **GPIO 读写模块：**提供读写 GPIO 引脚值的功能。
- **GPIO 中断模块：**处理 GPIO 中断事件并提供中断处理程序。
- **GPIO 高级功能模块：**提供对 GPIO 复用功能、模拟输入和 PWM 输出等高级功能的访问。

### 6.2 GPIO 驱动实现

基于设计的框架，可以实现 GPIO 驱动。以下是一个示例代码片段，演示如何使用 GPIO 驱动框架初始化 GPIO 引脚：

#include "gpio_driver.h"

// 初始化 GPIOA 的引脚 5 为输出模式
gpio_init(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_MODE_OUTPUT);

### 6.3 驱动测试与验证

GPIO 驱动开发完成后，需要进行测试和验证以确保其正确性和可靠性。测试应包括以下方面：

- **功能测试：**验证驱动程序是否可以正确初始化 GPIO 外设、读写引脚值和处理中断。
- **性能测试：**测量驱动程序的性能，例如引脚读写速度和中断响应时间。
- **可靠性测试：**对驱动程序进行压力测试和异常情况测试，以确保其在各种条件下都能正常工作。