gpio
简介
GPIO（General Purpose Input/Output）是通用输入/输出的缩写，它是嵌入式系统、微控制器（如STM32系列）以及某些专用集成电路（ASICs）中一种非常基础且重要的接口资源。GPIO模块为用户提供了一组可编程的引脚，这些引脚可以被配置为接收外部输入信号或驱动外部设备，实现系统与外部环境的数字信号交互。以下是GPIO的详细介绍：
基本概念
引脚功能：
- 输入模式：GPIO引脚可以被配置为输入模式，用于读取外部设备（如按钮、传感器、其他电路）的数字信号。当设置为输入时，引脚电平可以反映外部电路的状态，如高电平（逻辑1）或低电平（逻辑0）。
- 输出模式：GPIO引脚也可以被配置为输出模式，用于向外部设备（如LED、继电器、驱动电路）发送控制信号。通过编程改变输出引脚的电平，可以控制外部设备的开启、关闭或状态切换。
工作模式：
- 推挽输出：提供完整的高电平和低电平驱动，内部包含上拉和下拉晶体管。适用于直接驱动负载，输出能力强，速度快。
- 开漏输出：仅提供下拉晶体管，输出高电平时引脚呈高阻态。适用于需要线与功能、需要外部上拉电阻的总线通信（如I²C、SPI），以及需要多个设备共享同一信号线的场景。
- 浮空输入：无内部上拉或下拉电阻，引脚电平完全由外部电路决定。适用于检测微弱信号或需要无偏置输入的场合。
- 上拉/下拉输入：内部包含上拉或下拉电阻，用于避免引脚悬空，提供默认电平。常用于按键输入、与开漏输出设备通信等。
复用功能：
- 许多GPIO引脚具有复用功能，即除了作为通用IO使用外，还可以连接到片上外设（如UART、SPI、I²C、ADC、定时器等）的接口，实现特定的通信或控制功能。通过配置寄存器，可以将这些引脚分配给所需的外设使用。
中断能力：
- 多数GPIO引脚支持中断功能。当引脚电平发生特定变化（如上升沿、下降沿、电平变化）时，可以触发中断请求，使处理器暂停当前任务，迅速处理该事件。这对于实时响应外部事件（如按键按下、传感器状态变化）非常有用。
操作原理
寄存器控制：
- GPIO的操作主要通过对其相关寄存器的编程来完成。这些寄存器包括端口配置寄存器（设置输入/输出模式、速度等级等）、输入数据寄存器（读取引脚电平）、输出数据寄存器（设置引脚电平）、中断控制寄存器（使能中断、设置触发方式等）等。
软件编程：
- 用户通过编写代码（如C、汇编、Python等）访问这些寄存器，配置GPIO的工作模式、电平、中断等属性，并通过读写操作实现与外部设备的数据交换。
应用领域
GPIO广泛应用于各种嵌入式系统和物联网（IoT）设备中，包括但不限于：
- 工业控制：检测传感器状态、控制电机、驱动指示灯、与PLC通信等。
- 消费电子：按键输入处理、LED显示、蜂鸣器控制、电池电量监测等。
- 通信设备：串行通信接口（UART、SPI、I²C）的数据收发、RF模块控制等。
- 智能家居：环境监测（温湿度、光照、烟雾等）、家电控制、安防系统等。
- 医疗设备：生理信号采集（心率、血压、血糖等）、仪器控制与状态显示等。
关键特性
- 可配置性：每个GPIO引脚可以独立配置为输入、输出或特定的复用功能。
- 可编程性：通过编程语言控制GPIO状态，实现对外部设备的实时控制与数据处理。
- 高可靠性：具备一定的抗干扰能力和故障保护机制，适用于各种环境下的应用。
- 易于扩展：根据系统需求，可通过增加GPIO数量来支持更多输入输出通道。
工作模式
| 工作模式 | 描述 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 输入模式 | |||
| 浮空输入 (GPIO_Mode_IN_FLOATING) | 引脚既无内部上拉也无内部下拉电阻，电平完全由外部电路决定。 | 可检测微弱变化，对外部信号无偏置影响。 | 无线射频接收、环境噪声检测等。不建议在引脚未明确接外部电路时使用。 |
| 上拉输入 (GPIO_Mode_IPU) | 内部上拉电阻使引脚在无外部驱动时默认为高电平。 | 避免引脚悬空，常用于与开漏输出设备通信或保持默认高电平状态。 | I²C总线的SDA/SCL线、按键输入（常态下为高电平）等。 |
| 下拉输入 (GPIO_Mode_IPD) | 内部下拉电阻使引脚在无外部驱动时默认为低电平。 | 避免引脚悬空，常用于与开漏输出设备通信或保持默认低电平状态。 | SPI总线的NSS/CS线、按键输入（常态下为低电平）等。 |
| 输出模式 | |||
| 推挽输出 (GPIO_Mode_Out_PP) | 强制驱动引脚至高电平或低电平，内部集成了上拉和下拉晶体管。 | 输出能力强，速度快，但不能实现线与功能。 | 直接驱动LED、数码管、电机控制等。 |
| 开漏输出 (GPIO_Mode_Out_OD) | 只有下拉晶体管，无上拉晶体管。输出高电平时，引脚呈高阻态。 | 可实现线与功能，适合总线通信，需外接上拉电阻。 | I²C、SPI总线的SCK/MISO/MOSI线、多个设备共享同一信号线等。 |
| 模拟功能 | |||
| 模拟输入 (GPIO_Mode_AIN) | 将GPIO引脚配置为模拟信号输入，连接到ADC通道或其他模拟外设。 | 不具备数字功能，仅用于采集模拟信号。 | ADC采样、温度传感器、光照强度传感器等模拟信号接入。 |
中断触发方式
| 触发方式 | 描述 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 上升沿触发 | 当GPIO引脚电平从低电平变为高电平时触发中断。 | 只响应电平从低到高的变化，过滤掉持续高电平或低电平的变化。 | 键盘按键按下检测、脉冲计数、传感器触发等。 |
| 下降沿触发 | 当GPIO引脚电平从高电平变为低电平时触发中断。 | 只响应电平从高到低的变化，过滤掉持续高电平或低电平的变化。 | 键盘按键释放检测、脉冲计数反向、传感器解除触发等。 |
| 双边沿触发 | 当GPIO引脚电平从低电平变为高电平或从高电平变为低电平时均触发中断。 | 对任何电平变化（无论上升还是下降）都响应。 | 快速变化信号的捕获、双向通信握手信号检测等。 |
| 电平触发 | 当GPIO引脚电平达到特定阈值（高电平或低电平）并保持该状态时触发中断。 | 在电平稳定在触发阈值时触发，不关心电平变化的过程。 | 长按键检测、持续状态监控、阈值报警等。 |
示例代码
void reg_gpio_init(void)
{
//GPIO时钟开启
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
//配置输出，速度
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE8;
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE8_1; //2MHz
//推挽输出
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF8;
//初始配置为1
GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR8;
}
void LED_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef gpio;
/* GPIOD Periph clock enable */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
//GPIO_StructInit(&gpio);
gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
GPIO_Init(GPIOB,&gpio);
}