GPIO（通用输入输出）

GPIO（General Purpose Input/Output）是 STM32 最基础的外设，几乎所有功能都要通过 GPIO 引脚与外部世界交互。理解 GPIO 是学习一切外设的起点。

---

一、GPIO 的基本概念

什么是 GPIO？

GPIO 就是芯片上那些可以被软件控制的引脚。每个引脚可以被配置为：

• 输入：读取外部信号（按键、传感器）
• 输出：驱动外部设备（LED、继电器）
• 复用功能：交给其他外设使用（USART、SPI、I2C 等）
• 模拟功能：用于 ADC/DAC 模拟信号输入输出

引脚命名规则

STM32 的 GPIO 按组（Port）划分，每组最多 16 个引脚：

• GPIOA：PA0, PA1, PA2, ... PA15
• GPIOB：PB0, PB1, PB2, ... PB15
• GPIOC：PC0, PC1, PC2, ... PC13（蓝色小板上 PC13 接了 LED）

不同型号芯片的引脚数量不同（48 脚、64 脚、100 脚、144 脚等），但命名规则一致。

---

二、GPIO 的 8 种工作模式

这是 GPIO 最核心的知识点。STM32 的每个引脚都可以配置为以下 8 种模式之一：

输入模式（4 种）

模式	CubeMX 选项 / HAL 宏	说明	典型应用
浮空输入	GPIO_MODE_INPUT + No Pull	引脚既不上拉也不下拉，电平完全由外部决定	外部已有确定电平的信号
上拉输入	GPIO_MODE_INPUT + Pull-up	内部接上拉电阻，默认高电平	按键检测（按下接地）
下拉输入	GPIO_MODE_INPUT + Pull-down	内部接下拉电阻，默认低电平	按键检测（按下接 VCC）
模拟输入	GPIO_MODE_ANALOG	关闭数字输入功能，直接采集模拟电压	ADC 采集

输出模式（4 种）

模式	CubeMX 选项 / HAL 宏	说明	典型应用
推挽输出	GPIO_MODE_OUTPUT_PP	可以输出高电平和低电平，驱动能力强	LED、蜂鸣器
开漏输出	GPIO_MODE_OUTPUT_OD	只能拉低，高电平靠外部上拉	I2C 总线、电平转换
复用推挽	GPIO_MODE_AF_PP	引脚由外设控制，推挽输出	USART TX、SPI
复用开漏	GPIO_MODE_AF_OD	引脚由外设控制，开漏输出	I2C SDA/SCL

推挽 vs 开漏，一张图搞懂

推挽输出：内部有两个 MOS 管（P-MOS 和 N-MOS），可以主动输出高电平和低电平。

VDD ──┤ P-MOS ├──┐
                  ├── 引脚输出
GND ──┤ N-MOS ├──┘

• 输出 1：P-MOS 导通，N-MOS 关断 → 引脚接 VDD → 高电平
• 输出 0：P-MOS 关断，N-MOS 导通 → 引脚接 GND → 低电平

开漏输出：只有 N-MOS，没有 P-MOS。

外部上拉电阻 ── VDD
              │
              ├── 引脚输出
GND ──┤ N-MOS ├──┘

• 输出 0：N-MOS 导通 → 引脚拉低 → 低电平
• 输出 1：N-MOS 关断 → 引脚悬空 → 需要外部上拉电阻才能输出高电平

什么时候用开漏？

1. I2C 通信：多个设备共享总线，开漏 + 上拉的方式天然支持"线与"逻辑
2. 电平转换：MCU 是 3.3V，外部设备是 5V，用开漏 + 5V 上拉就能输出 5V 信号
3. 多设备共享信号线：任何一个设备都可以拉低总线，但不会冲突

---

三、GPIO 输出速度

配置输出模式时需要设置引脚的输出速度（翻转频率上限）：

速度等级	最大翻转频率	适用场景
GPIO_Speed_2MHz	2 MHz	LED、继电器等低速设备
GPIO_Speed_10MHz	10 MHz	普通通信接口
GPIO_Speed_50MHz	50 MHz	SPI 高速通信、SDIO

速度不是越快越好

更高的翻转速度意味着更大的电磁辐射（EMI）和更高的功耗。如果只是点个 LED，用 2MHz 就够了。

---

四、GPIO 相关寄存器

理解寄存器有助于理解库函数在做什么。STM32F103 每组 GPIO 有 7 个寄存器：

寄存器	全称	功能
CRL	Configuration Register Low	配置引脚 0~7 的模式和速度
CRH	Configuration Register High	配置引脚 8~15 的模式和速度
IDR	Input Data Register	读取引脚输入电平（只读）
ODR	Output Data Register	设置引脚输出电平（读写）
BSRR	Bit Set/Reset Register	原子操作：置位或复位某些引脚
BRR	Bit Reset Register	原子操作：复位某些引脚
LCKR	Lock Register	锁定引脚配置，防止意外修改

ODR vs BSRR

用 ODR 修改单个引脚时需要先读再改再写（读-改-写），如果中间发生中断可能导致数据错乱。BSRR 是原子操作，直接写入要设置/清除的位，不会影响其他引脚，推荐使用 BSRR。

---

五、CubeMX 配置 + HAL 库 GPIO 编程

点亮 LED（输出）

以 PC13 上的蓝色小板 LED 为例（低电平点亮）：

CubeMX 配置步骤：

1. 在 Pinout 视图中点击 PC13，选择 GPIO_Output
2. 在左侧 GPIO 配置面板中设置：
   • GPIO output level: Low（点亮 LED）
   • GPIO mode: Output Push Pull
   • GPIO Pull-up/Pull-down: No pull-up and no pull-down
   • Maximum output speed: Low
   • User Label: LED（可选，方便生成宏定义）
3. 生成代码

CubeMX 会自动在 gpio.c 中生成 MX_GPIO_Init() 函数：

// 由 CubeMX 自动生成的初始化代码（在 gpio.c 中）
void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    /* GPIO Ports Clock Enable */
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();  // 自动开启时钟

    /* Configure GPIO pin Output Level */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // 初始低电平

    /* Configure GPIO pin : PC13 */
    GPIO_InitStruct.Pin   = GPIO_PIN_13;
    GPIO_InitStruct.Mode  = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;   // 推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull  = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;   // 低速足够
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

main.c 中 LED 就已经点亮了（初始电平为 Low）。如果你想在用户代码中控制：

/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // LED 亮
    /* USER CODE END WHILE */
}

LED 闪烁

/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);  // 翻转 LED
    HAL_Delay(500);                           // 延时 500ms
    /* USER CODE END WHILE */
}

HAL_Delay 的原理

HAL_Delay() 基于 SysTick 定时器实现，单位是毫秒，比空循环延时精确得多。CubeMX 默认已配置好 SysTick。

按键检测（输入）

假设按键接在 PA0，按下时接地（低电平有效）：

CubeMX 配置步骤：

1. PC13 → GPIO_Output（LED，同上）
2. PA0 → GPIO_Input
3. PA0 的 GPIO 配置：Pull-up/Pull-down 选择 Pull-up（内部上拉，默认高电平）
4. 生成代码

/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)  // 按键按下
    {
        HAL_Delay(20);  // 消抖延时 20ms
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
        {
            HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);  // 翻转 LED

            // 等待按键释放
            while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
    /* USER CODE END WHILE */
}

按键消抖

机械按键按下时会产生抖动（在 0 和 1 之间快速跳变，持续约 5~20ms）。消抖方法：

• 软件消抖：检测到按下后延时 10~20ms 再次确认（如上面代码）
• 硬件消抖：并联一个电容（通常 0.1μF）滤除抖动

用户代码必须写在 USER CODE 区域

CubeMX 重新生成代码时，只有 /* USER CODE BEGIN */ 和 /* USER CODE END */ 之间的代码会被保留，其他区域会被覆盖！

---

六、HAL 库 GPIO 常用函数速查

函数	功能	示例
HAL_GPIO_Init()	初始化引脚（CubeMX 自动调用）	HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct)
HAL_GPIO_WritePin()	输出指定电平	HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET)
HAL_GPIO_TogglePin()	翻转引脚电平	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13)
HAL_GPIO_ReadPin()	读取引脚电平	HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0)
HAL_GPIO_LockPin()	锁定引脚配置	HAL_GPIO_LockPin(GPIOC, GPIO_PIN_13)
HAL_GPIO_DeInit()	将引脚恢复为默认状态	HAL_GPIO_DeInit(GPIOC, GPIO_PIN_13)

HAL 库函数的特点

• 函数少而精，比标准库更简洁
• HAL_GPIO_WritePin() 内部操作的是 BSRR 寄存器，天然原子操作
• HAL_GPIO_TogglePin() 是 HAL 库独有的便利函数，标准库没有直接对应

---

七、常见问题

CubeMX 配置了 GPIO 但引脚没反应？

1. 检查是否生成代码：修改配置后要重新 Generate Code
2. 检查引脚冲突：CubeMX 中引脚显示黄色警告表示有冲突
3. 检查硬件：LED 是接 VCC 还是接 GND？高电平亮还是低电平亮？
4. 检查 User Label：如果设置了 Label（如 LED），可以用 LED_GPIO_Port 和 LED_Pin 宏代替硬编码

同一个引脚能同时做输入和输出吗？

不能。但是在推挽/开漏输出模式下，仍然可以通过 HAL_GPIO_ReadPin() 读取引脚的实际电平状态。