GPIO输入输出

GPIO输入输出理论

前言:本文是GPIO理论，我在文章中大致把重点写出来了，如果想更深了解GPIO理论，我写了思维导图在文章结尾可以下载浏览阅读,谢谢来看我的文章ヾ(≧▽≦*)o

一 GPIO在系统结构的位置：

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可以看到GPIOA GPIOB GPIOC GPIOD GPIOE GPIOF GPIOG基本所有的GPIO都在APB2(高速外设总线2)上，因为APB2为高速、对性能要求高的外设设计最大频率为72MHz而APB1(高速外设总线1)为低速、低功耗外设设计最大频率为36Mhz,因为GPIO外设是常用外设且需要传输速度更高所以都会在APB2上,而我们学习的单片机芯片为STM32F103C8T6所以只有四个GPIO外设分别是GPIOA GPIOB GPIOC GPIOD

二 GPIO模式（8种模式）：

输出模式：

  • 推挽输出 (可出书引脚电平，高电平接VDD，低电平接VSS)
  • 开漏输出 (可输出引脚电平 高电平为高阻态，低电平接VSS)
  • 复用推挽 (由片上外设控制，高电平接VDD，低电平接VSS)
  • 复用开漏 (由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接VSS)

输入模式：

  • 浮空输入 (可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定)
  • 上拉输入 (可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平)
  • 下拉输入 (可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平)
  • 模拟输入 (GPIO无效，引脚直接接入内部ADC)

详细的8种输出模式内容与解释都在我下面的思维导图PDF中，可在PDF中查看

三 LED与蜂鸣器简介

LED：发光二极管，正向通电点亮，反向通电不亮image-20260226224302294

有源蜂鸣器：内部自带振荡源，将正负极接上直流电压即可持续发声，频率固定
无源蜂鸣器：内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音

硬件电路(左面是LED灯 右面是蜂鸣器)

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四 按键与传感器简介

按键：常见的输入设备，按下导通，松手断开
按键抖动：由于按键内部使用的是机械式弹簧片来进行通断的，所以在按下和松手的瞬间会伴随有一连串的抖动

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传感器模块：传感器元件（光敏电阻/热敏电阻/红外接收管等）的电阻会随外界模拟量的变化而变化，通过与定值电阻分压即可得到模拟电压输出，再通过电压比较器进行二值化即可得到数字电压输出

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硬件电路(左面四个是按键 右面是传感器)

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五 总结

1. GPIO 硬件结构综述

在 STM32 中，GPIO 挂载在 APB2（高速外设总线）上。理解标准库配置前，必须先看懂其内部等效电路。

  • 输入路径： 信号经过保护二极管 -> 上/下拉电阻 -> 施密特触发器 -> 输入数据寄存器（IDR）。
  • 输出路径： 输出数据寄存器（ODR）-> 控制电路 -> P-MOS/N-MOS 管 -> 外部引脚。

2. 标准库中的 8 种工作模式

标准库通过枚举类型 GPIOMode_TypeDef 定义了 8 种模式：

模式名称 (GPIOMode_TypeDef) 对应电路状态 应用场景
GPIO_Mode_AIN 模拟输入 ADC 采集、低功耗模式
GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入 读取外部驱动好的信号（如 UART RX）
GPIO_Mode_IPD 下拉输入 检测高电平触发的按键
GPIO_Mode_IPU 上拉输入 检测低电平触发的按键（最常用）
GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出 I2C 通信、电平转换（5V/3.3V 互连）
GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出 驱动 LED、普通数字开关信号
GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏 I2C 总线的 SCL/SDA 引脚
GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽 SPI、PWM、UART TX 引脚

3. 标准库开发“四部曲”（核心逻辑）

在标准库中，初始化一个 GPIO 的代码逻辑非常固定：

第一步：开启时钟 (RCC)

STM32 为了省电，所有外设时钟默认关闭。GPIO 挂在 APB2 总线上。

C

1
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

第二步：定义初始化结构体

C

1
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

第三步：配置结构体成员

  • GPIO_Pin: 选择引脚（GPIO_Pin_0 ~ GPIO_Pin_15 或 GPIO_Pin_All）。
  • GPIO_Mode: 选择上述 8 种模式之一。
  • GPIO_Speed: 选择输出速度（10MHz, 2MHz, 50MHz）。注：仅输出模式有效。

第四步：调用初始化函数

C

1
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

4. 常用操作函数对比

标准库提供了非常直观的位操作函数：

  • 输出高电平： GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
  • 输出低电平： GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);
  • 写入特定值： GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, Bit_SET / Bit_RESET);
  • 读取输入值： uint8_t val = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);
  • 读取输出回显： GPIO_ReadOutputDataBit() (读取 ODR 寄存器，判断当前输出状态)。

5. 进阶：BSRR 寄存器与原子操作

为什么标准库里有 GPIO_SetBits 这种函数，而不是直接修改 ODR 寄存器？

  • ODR (Output Data Register): 读-改-写操作。如果在修改 ODR 时发生中断，可能会导致逻辑错误。
  • BSRR (Bit Set/Reset Register): 原子操作。往 BSRR 的高 16 位写 1 是清零，低 16 位写 1 是置位。它不需要读取寄存器，直接硬件级触发，既快又安全。

6. 实战避坑：标准库开发的“三大坑”

  1. 忘记使能 RCC 时钟： 90% 的新手程序不跑都是因为这一行代码没写。
  2. 引脚复用与重映射： 如果你想用 PB3 作为普通 GPIO，但它是 JTAG 引脚，必须先开启 AFIO 时钟并进行引脚禁用重映射（GPIO_PinRemapConfig）。
  3. 输入模式下设置 Speed： 虽然写了不报错，但逻辑上没有意义，浪费代码空间。
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