嵌入式八股文之 GPIO

1. GPIO 的基本概念

(1) 什么是 GPIO？

GPIO 的中文意思是通用输入输出端口（General Purpose Input/Output），是嵌入式系统中可编程控制的通用引脚，可通过软件配置为输入或输出模式。（背诵）

(2) 它的主要功能是什么？（背诵）

① 输入功能：读取引脚电平状态，获取按键和各类传感器的信息输入。

② 输出功能：输出高低电平，控制外围设备。

③ 复用功能：部分GPIO可配置为特殊功能（如UART、SPI、I2C）

2. GPIO 的 8 种工作模式（背诵）

(1) 上拉/下拉电阻：上拉/下拉电阻用于设置引脚的默认电压。上拉使能，引脚默认电压为高电平，下拉使能，引脚默认电压为低电平。

(2) VSS 通常指电路的负极，VDD 通常指电路的正电源。

3. 推挽输出和开漏输出的区别

(1) 

4. GPIO 初始化流程（以STM32为例，描述GPIO初始化的步骤）

(1) 使能GPIO时钟

① 作用：微控制器中外设（如GPIO）默认处于关闭状态以节省功耗。时钟信号是数字电路工作的基础，必须开启对应GPIO端口的时钟，才能配置和使用其引脚。

② 操作实例：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  # 使能GPIOA的时钟

• RCC：Reset and Clock Control（复位与时钟控制器），负责管理系统时钟和外设时钟。
• APB2：一种低速总线，连接GPIO、USART等外设。
• PeriphClockcmd：外设时钟控制命令。

(2) 配置GPIO引脚参数（背诵）

① 关键参数：

• Pin：选择具体的引脚（如GPIO_PIN_5）。
• Mode：设置引脚模式（输入/输出/复用/模拟）。
• Pull：配置上拉或下拉电阻（上拉、下拉、无上下拉）。
• Speed：输出驱动速度（低速、中速、高速、超高速）。

(3) 调用 GPIO_Init() 生效

① 声明结构体变量：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;  # 创建结构体实例

② 填充配置参数：

# 示例：配置PA5为推挽输出，高速，无上下拉
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pull = GPIO_PuPd_NOPULL;

③ 调用初始化函数：

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  # 应用配置到GPIOA端口

5. GPIO 必记函数

(1) 时钟控制函数：

void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState);

示例：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); # 开启GPIOA的时钟

(2) GPIO 初始化函数：

void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef* GPIOx); # 被指定的GPIO外设会被复位

void GPIO_AFIODeInit(); # 复位AFIO复用功能配置

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* InitStruct); # 配置GPIO引脚的工作模式、速度、上下拉等参数

void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef* InitStruct); # 把结构体变量赋值一个默认值

示例：

GPIO_InitTypeDef gpio;
gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;        # 选择PA5引脚
gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; # 推挽输出模式
gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; # 高速驱动
GPIO_Init(GPIOA, &gpio);           # 应用配置到GPIOA
GPIO_DeInit(GPIOA);  # 复位GPIOA所有寄存器的值
gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;        # 仍选择PA5
gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; # 浮空输入模式
GPIO_Init(GPIOA, &gpio);           # 重新初始化PA5

(3) 输出控制类函数：

① GPIO_SetBits()

• 功能：将指定引脚设置为高电平（1）。
• 示例：点亮LED。

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);  # PA5输出高电平

② GPIO_ResetBits()

• 功能：将指定引脚设置为低电平（0）。
• 示例：熄灭LED。

GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); # PA5输出低电平

③ GPIO_WriteBit()

• 功能：动态设置单个引脚电平（可替代SetBits/ResetBits）。
• 示例：根据条件设置电平。

GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, (condition ? Bit_SET : Bit_RESET));

(4) 输入读取类函数：

① GPIO_ReadInputDataBit()

• 功能：读取单个引脚的电平状态（输入模式时使用）。
• 示例：检测按键按下。

if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0) {# 引脚PA0为低电平（按键按下）
}

② GPIO_ReadOutputDataBit()

• 功能：读取输出寄存器的状态（输出模式时使用）。
• 示例：检测当前输出值。

BitStatus pinState = GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);

(5) 必须掌握的模式宏定义：

① GPIO_Mode_AIN 是模拟输入。

② GPIO_Mode_IN_FLOATING 是浮空输入。

③ GPIO_Mode_IPD 是下拉输入。

④ GPIO_Mode_IPU 是上拉输入。

⑤ GPIO_Mode_Out_OD 是开漏输出。

⑥ GPIO_Mode_Out_PP 是推挽输出。

⑦ GPIO_Mode_AF_OD 是复用开漏。

⑧ GPIO_Mode_AF_PP 是复用推挽。