GPIO(通用輸入輸出接口)

1 GPIO 功能概述

GPIO 是通用輸入/輸出（General Purpose I/O）的簡稱，主要用于工業現場需要用到數字量輸入/輸出的場合，例如：

輸出功能 ：繼電器、 LED、蜂鳴器等的控制
輸入功能 ：傳感器狀態、高低電平等信息的讀取
復用功能 ：片內外設的對外接口
時序模擬 ：模擬 SPI、I2C 和 UART 等常用接口的時序

2 STM32 的 GPIO 特性

多種工作模式：輸出/輸入/復用/模擬
靈活的復用模式
5V 電壓容限
外部中斷功能

3 端口和引腳

端口（PORT）： 獨立的外設子模塊，包括多個引腳，通過多個硬件寄存器控制引腳。

GPIO 模塊由端口 GPIOA、GPIOB、GPIOC 等多個獨立的子模塊構成。

例如：端口 GPIOA 包括 PA0 ～ PA15 這 16 個引腳，通過 10 個硬件寄存器控制引腳工作。

引腳（PIN）： 對應微控制器的一個管腳，歸屬于端口，由端口寄存器的對應位控制。

PA0，屬于端口 GPIOA，輸出電平由端口 GPIOA 的輸出數據寄存器 GPIOA_ODR 的第 0 位決定。

4 GPIO 電路

5 GPIO 工作模式

輸入模式：浮空輸入/上拉輸入/下拉輸入
- 浮空輸入：按鍵識別
- 上拉輸入：IO 內部上拉電阻輸入
- 下拉輸入：IO 內部下拉電阻輸入
輸出模式：推挽輸出/開漏輸出
推挽輸出時，P-MOS 管和 NMOS 管輪流工作，可以輸出高電平或低電平。主要用于連接數字器件，如指示燈和繼電器等模塊；
開漏輸出時，P-MOS 管關閉，只有 N-MOS 管工作，此時只能輸出低電平。要輸出高電平必須外加上拉電阻，主要用于 I2C 總線。
模擬模式
模擬狀態：表示引腳功能選擇為模擬模式，但不作為任何片內模擬外設的復用腳，只是為了減少系統功耗。
模擬外設復用引腳：表示引腳作為片內模擬外設（A/D 轉換模塊、D/A 轉換模塊、模擬比較器等）的復用腳，用于完成相應的功能操作。
復用模式
在 CubeMX 軟件的引腳分配圖中點擊引腳即可彈出引腳的復用功能
復用推挽：片內外設功能（URAT 的 TX，RX，SPI 的 MOSI，MISO，SCK，SS ）；
復用開漏：片內外設功能（ I2C 的 SCL，SDA ）。

6 基于 HAL 庫控制 GPIO

6.1 GPIO 外設的數據類型

引腳初始化： 采用結構體類型實現，用于定義引腳的序號、工作模式、輸出速度等基本特性。
引腳電平狀態： 采用枚舉類型實現，用于定義引腳的電平狀態：高電平和低電平。
引腳所屬端口： 采用結構體指針實現，用于訪問該端口所對應的寄存器組。

引腳初始化數據類型

成員變量 Pin 的取值范圍：GPIO_PIN_0 ~ GPIO_PIN15

成員變量 Pin 的取值范圍：

GPIO_MODE_INPUT	浮空輸入模式
GPIO_MODE_OUTPUT_PP	推挽輸出模式
GPIO_MODE_OUTPUT_OD	開漏輸出模式
GPIO_MODE_AF_PP	復用功能下的推挽模式
GPIO_MODE_AF_OD	復用功能下的開漏模式
GPIO_MODE_ANALOG	模擬模式

成員變量 Pull 的取值范圍：
GPIO_NOPULL 沒有上拉或下拉電阻激活
GPIO_PULLUP 上拉電阻激活
GPIO_PULLDOWN 下拉電阻激活

GPIO_NOPULL	沒有上拉或下拉電阻激活
GPIO_PULLUP	上拉電阻激活
GPIO_PULLDOWN	下拉電阻激活

成員變量 Speed 的取值范圍：

GPIO_SPEED_FREQ_LOW	引腳輸出速度 2MHz
GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM	引腳輸出速度 12.5MHz ～ 50MHz
GPIO_SPEED_FREQ_HIGH	引腳輸出速度 25MHz ～ 100MHz
GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH	引腳輸出速度 50MHz ～ 200MHz

成員變量 Alternate 的取值范圍
- Alternate 表示引腳的復用功能；
- 由于不同型號的 STM32 微控制器片內集成的外設不同，因此該成員變量的取值范圍由芯片型號決定。
- 以 STM32F1 系列芯片為例，通過查閱stm32f1xx_hal_gpio_ex.h文件可以了解 Alternate 的取值范圍；
- 該成員變量的取值一般通過 CubeMX 軟件分配，不需要用戶手動設置；

引腳電平狀態數據類型

端口數據類型：指向端口寄存器組的結構體指針

GPIOA,GPIOB,GPIOC…

不同型號的 STM32 微控制器的端口數量各不相同；
端口數據類型的定義是在以芯片型號命名的.h 文件中.

6.2 使用 HAL 庫的引腳初始化步驟

定義變量： 利用引腳初始化結構體類型GPIO_InitTypeDef 定義一個結構體變量。
設置模式： 按照引腳的工作模式，依次對該結構體的成員變量賦值，如 pin、mode、pull 等。
調用函數： 調用初始化函數HAL_GPIO_Init將配置參數寫入到對應的寄存器，入口參數為端口號和結構體變量。

6.3 GPIO 外設接口函數的概述

引腳初始化函數：HAL_GPIO_Init

函數原型	復位引腳到初始狀態
功能描述	引腳初始化
入口參數 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
入口參數 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結構體指針，該結構體包含指定引腳的配置參數
返回值	無
注意事項	該函數可以由 CubeMX 軟件自動生成

引腳復位函數：HAL_GPIO_DeInit

函數原型	void HAL_GPIO_DeInit (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint32_t GPIO_Pin)
功能描述	復位引腳到初始狀態
入口參數 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
入口參數 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結構體指針，該結構體包含指定引腳的配置參數
返回值	無
注意事項	該函數需要用戶調用

讀取引腳函數：HAL_GPIO_ReadPin

函數原型	GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin ( GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin )
功能描述	讀取引腳的電平狀態
入口參數 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
入口參數 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結構體指針，該結構體包含指定引腳的配置參數
返回值	GPIO_PinState：表示引腳電平狀態的枚舉類型變量，可以是GPIO_PIN_SET 或 GPIO_PIN_RESET
注意事項	該函數需要用戶調用

寫入引腳函數：HAL_GPIO_WritePin

函數原型	void HAL_GPIO_WritePin( GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState )
功能描述	設置引腳輸出高/低電平
入口參數 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
入口參數 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結構體指針，該結構體包含指定引腳的配置參數
返回值	GPIO_PinState：表示引腳電平狀態的枚舉類型變量，可以是 GPIO_PIN_SET 或 GPIO_PIN_RESET
注意事項	該函數需要用戶調用

翻轉引腳函數：HAL_GPIO_TogglePin

函數原型	void HAL_GPIO_TogglePin (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
功能描述	翻轉引腳狀態
入口參數 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
入口參數 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結構體指針，該結構體包含指定引腳的配置參數
返回值	無
注意事項	該函數需要用戶調用

任務實踐

基于STM32F103C8T6，開發板原理圖

采用查詢方式檢測按鍵KEY1狀態，按鍵按下后執行操作：翻轉指示燈 LED1 的狀態。

注：本任務例程使用的開發板，LED1與STM32的PA1相連接，KEY1與PA0相連接。KEY1原理圖如下：

使用按鍵時，需要設置PA0為輸入上拉模式，這樣在KEY1沒有按下時，PA0可以讀取到高電平，KEY1按下時PA0可以讀取到低電平。

按鍵消抖：

通常的按鍵所用開關為機械彈性開關，當機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，為了不產生這種現象而作的措施就是按鍵消抖。

抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5ms～10ms。按鍵穩定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒至數秒。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩定時讀取鍵的狀態，并且必須判別到鍵釋放穩定后再作處理。

下圖為按鍵按下時，電壓波形的變化。

前沿抖動 5 ～ 10ms，后沿抖動 5 ～ 10ms
按鍵的抖動會導致一次按鍵動作被當成多次按鍵，為確保 MCU 對按鍵的一次閉合僅作一次處理，必須消除按鍵的抖動，在按鍵處于穩定狀態時讀取按鍵的狀態。
硬件消抖：利用 RC 低通濾波器濾掉抖動
軟件消抖：
1. 檢測出按鍵閉合后執行延時程序，延時時間為 5ms ～ 10ms，用于去掉前沿抖動；
2. 再次檢測按鍵狀態，如果保持閉合狀態，才認為按下，并執行相應的按鍵任務；
3. 按鍵的釋放可以采用延時或者循環檢測的方式去掉后沿抖動。

配置 PA0 為 GPIO_Input，PA1 為 GPIO_Output
PA1 保持默認 GPIO 輸出模式即可
PA0 配置為輸入模式，上拉

以上步驟生成如下代碼:

stm32f1xx_hal_gpio.c中生成 GPIO 引腳初始化函數MX_GPIO_Init，并在 main.c 中調用

開啟外設時鐘 RCC
配置 PA0，PA1 兩個引腳結構

void MX_GPIO_Init(void)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PA0 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PA1 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

}

編寫程序

在main.c中編寫程序

/* USER CODE BEGIN 3 */
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
    {
      HAL_Delay(10);
      if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
      {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1);
      }
      while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET);
    }
  }
  /* USER CODE END 3 */