GPIO(通用输入输出接口)

1 GPIO 功能概述

GPIO 是通用输入/输出（General Purpose I/O）的简称，主要用于工业现场需要用到数字量输入/输出的场合，例如：

输出功能 ：继电器、 LED、蜂鸣器等的控制
输入功能 ：传感器状态、高低电平等信息的读取
复用功能 ：片内外设的对外接口
时序模拟 ：模拟 SPI、I2C 和 UART 等常用接口的时序

2 STM32 的 GPIO 特性

多种工作模式：输出/输入/复用/模拟
灵活的复用模式
5V 电压容限
外部中断功能

3 端口和引脚

端口（PORT）： 独立的外设子模块，包括多个引脚，通过多个硬件寄存器控制引脚。

GPIO 模块由端口 GPIOA、GPIOB、GPIOC 等多个独立的子模块构成。

例如：端口 GPIOA 包括 PA0 ～ PA15 这 16 个引脚，通过 10 个硬件寄存器控制引脚工作。

引脚（PIN）： 对应微控制器的一个管脚，归属于端口，由端口寄存器的对应位控制。

PA0，属于端口 GPIOA，输出电平由端口 GPIOA 的输出数据寄存器 GPIOA_ODR 的第 0 位决定。

4 GPIO 电路

5 GPIO 工作模式

输入模式：浮空输入/上拉输入/下拉输入
- 浮空输入：按键识别
- 上拉输入：IO 内部上拉电阻输入
- 下拉输入：IO 内部下拉电阻输入
输出模式：推挽输出/开漏输出
推挽输出时，P-MOS 管和 NMOS 管轮流工作，可以输出高电平或低电平。主要用于连接数字器件，如指示灯和继电器等模块；
开漏输出时，P-MOS 管关闭，只有 N-MOS 管工作，此时只能输出低电平。要输出高电平必须外加上拉电阻，主要用于 I2C 总线。
模拟模式
模拟状态：表示引脚功能选择为模拟模式，但不作为任何片内模拟外设的复用脚，只是为了减少系统功耗。
模拟外设复用引脚：表示引脚作为片内模拟外设（A/D 转换模块、D/A 转换模块、模拟比较器等）的复用脚，用于完成相应的功能操作。
复用模式
在 CubeMX 软件的引脚分配图中点击引脚即可弹出引脚的复用功能
复用推挽：片内外设功能（URAT 的 TX，RX，SPI 的 MOSI，MISO，SCK，SS ）；
复用开漏：片内外设功能（ I2C 的 SCL，SDA ）。

6 基于 HAL 库控制 GPIO

6.1 GPIO 外设的数据类型

引脚初始化： 采用结构体类型实现，用于定义引脚的序号、工作模式、输出速度等基本特性。
引脚电平状态： 采用枚举类型实现，用于定义引脚的电平状态：高电平和低电平。
引脚所属端口： 采用结构体指针实现，用于访问该端口所对应的寄存器组。

引脚初始化数据类型

成员变量 Pin 的取值范围：GPIO_PIN_0 ~ GPIO_PIN15

成员变量 Pin 的取值范围：

GPIO_MODE_INPUT	浮空输入模式
GPIO_MODE_OUTPUT_PP	推挽输出模式
GPIO_MODE_OUTPUT_OD	开漏输出模式
GPIO_MODE_AF_PP	复用功能下的推挽模式
GPIO_MODE_AF_OD	复用功能下的开漏模式
GPIO_MODE_ANALOG	模拟模式

成员变量 Pull 的取值范围：
GPIO_NOPULL 没有上拉或下拉电阻激活
GPIO_PULLUP 上拉电阻激活
GPIO_PULLDOWN 下拉电阻激活

GPIO_NOPULL	没有上拉或下拉电阻激活
GPIO_PULLUP	上拉电阻激活
GPIO_PULLDOWN	下拉电阻激活

成员变量 Speed 的取值范围：

GPIO_SPEED_FREQ_LOW	引脚输出速度 2MHz
GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM	引脚输出速度 12.5MHz ～ 50MHz
GPIO_SPEED_FREQ_HIGH	引脚输出速度 25MHz ～ 100MHz
GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH	引脚输出速度 50MHz ～ 200MHz

成员变量 Alternate 的取值范围
- Alternate 表示引脚的复用功能；
- 由于不同型号的 STM32 微控制器片内集成的外设不同，因此该成员变量的取值范围由芯片型号决定。
- 以 STM32F1 系列芯片为例，通过查阅stm32f1xx_hal_gpio_ex.h文件可以了解 Alternate 的取值范围；
- 该成员变量的取值一般通过 CubeMX 软件分配，不需要用户手动设置；

引脚电平状态数据类型

端口数据类型：指向端口寄存器组的结构体指针

GPIOA,GPIOB,GPIOC…

不同型号的 STM32 微控制器的端口数量各不相同；
端口数据类型的定义是在以芯片型号命名的.h 文件中.

6.2 使用 HAL 库的引脚初始化步骤

定义变量： 利用引脚初始化结构体类型GPIO_InitTypeDef 定义一个结构体变量。
设置模式： 按照引脚的工作模式，依次对该结构体的成员变量赋值，如 pin、mode、pull 等。
调用函数： 调用初始化函数HAL_GPIO_Init将配置参数写入到对应的寄存器，入口参数为端口号和结构体变量。

6.3 GPIO 外设接口函数的概述

引脚初始化函数：HAL_GPIO_Init

函数原型	复位引脚到初始状态
功能描述	引脚初始化
入口参数 1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
入口参数 2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型 GPIO_InitTypeDef 的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
返回值	无
注意事项	该函数可以由 CubeMX 软件自动生成

引脚复位函数：HAL_GPIO_DeInit

函数原型	void HAL_GPIO_DeInit (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint32_t GPIO_Pin)
功能描述	复位引脚到初始状态
入口参数 1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
入口参数 2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型 GPIO_InitTypeDef 的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
返回值	无
注意事项	该函数需要用户调用

读取引脚函数：HAL_GPIO_ReadPin

函数原型	GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin ( GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin )
功能描述	读取引脚的电平状态
入口参数 1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
入口参数 2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型 GPIO_InitTypeDef 的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
返回值	GPIO_PinState：表示引脚电平状态的枚举类型变量，可以是GPIO_PIN_SET 或 GPIO_PIN_RESET
注意事项	该函数需要用户调用

写入引脚函数：HAL_GPIO_WritePin

函数原型	void HAL_GPIO_WritePin( GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState )
功能描述	设置引脚输出高/低电平
入口参数 1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
入口参数 2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型 GPIO_InitTypeDef 的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
返回值	GPIO_PinState：表示引脚电平状态的枚举类型变量，可以是 GPIO_PIN_SET 或 GPIO_PIN_RESET
注意事项	该函数需要用户调用

翻转引脚函数：HAL_GPIO_TogglePin

函数原型	void HAL_GPIO_TogglePin (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
功能描述	翻转引脚状态
入口参数 1	GPIOx：引脚端口号，取值范围是 GPIOA ～ GPIOK
入口参数 2	GPIO_Init：指向引脚初始化类型 GPIO_InitTypeDef 的结构体指针，该结构体包含指定引脚的配置参数
返回值	无
注意事项	该函数需要用户调用

任务实践

基于STM32F103C8T6，开发板原理图

采用查询方式检测按键KEY1状态，按键按下后执行操作：翻转指示灯 LED1 的状态。

注：本任务例程使用的开发板，LED1与STM32的PA1相连接，KEY1与PA0相连接。KEY1原理图如下：

使用按键时，需要设置PA0为输入上拉模式，这样在KEY1没有按下时，PA0可以读取到高电平，KEY1按下时PA0可以读取到低电平。

按键消抖：

通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。

抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。

下图为按键按下时，电压波形的变化。

前沿抖动 5 ～ 10ms，后沿抖动 5 ～ 10ms
按键的抖动会导致一次按键动作被当成多次按键，为确保 MCU 对按键的一次闭合仅作一次处理，必须消除按键的抖动，在按键处于稳定状态时读取按键的状态。
硬件消抖：利用 RC 低通滤波器滤掉抖动
软件消抖：
1. 检测出按键闭合后执行延时程序，延时时间为 5ms ～ 10ms，用于去掉前沿抖动；
2. 再次检测按键状态，如果保持闭合状态，才认为按下，并执行相应的按键任务；
3. 按键的释放可以采用延时或者循环检测的方式去掉后沿抖动。

配置 PA0 为 GPIO_Input，PA1 为 GPIO_Output
PA1 保持默认 GPIO 输出模式即可
PA0 配置为输入模式，上拉

以上步骤生成如下代码:

stm32f1xx_hal_gpio.c中生成 GPIO 引脚初始化函数MX_GPIO_Init，并在 main.c 中调用

开启外设时钟 RCC
配置 PA0，PA1 两个引脚结构

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);

}

编写程序

在main.c中编写程序

/* 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 */