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STM32 GPIO 读写操作

介绍​

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）是 STM32 微控制器中最基本的外设之一。它允许微控制器与外部设备进行数字信号的交互。通过 GPIO，STM32 可以读取外部信号（如按钮状态）或控制外部设备（如 LED 灯）。

在本文中，我们将学习如何配置 STM32 的 GPIO 引脚，并实现基本的读写操作。我们将从 GPIO 的基础概念开始，逐步深入到实际的代码实现。

GPIO 基础​

GPIO 引脚可以配置为输入或输出模式。在输入模式下，GPIO 引脚可以读取外部信号的状态（高电平或低电平）。在输出模式下，GPIO 引脚可以驱动外部设备（如点亮 LED 或控制继电器）。

GPIO 模式​

STM32 的 GPIO 引脚可以配置为以下几种模式：

  • 输入模式：用于读取外部信号。
  • 输出模式：用于驱动外部设备。
  • 复用功能模式：用于将 GPIO 引脚配置为其他外设的功能（如 UART、SPI 等）。
  • 模拟模式：用于将 GPIO 引脚配置为模拟输入（如 ADC）。

GPIO 速度​

GPIO 引脚的速度决定了其输出信号的切换速度。STM32 提供了多种速度选项，通常用于高速信号传输的场景。

GPIO 上拉/下拉电阻​

GPIO 引脚可以配置为上拉或下拉电阻，以确保在未连接外部设备时引脚处于已知状态。

GPIO 配置​

在 STM32 中，GPIO 的配置通常通过 HAL 库（Hardware Abstraction Layer）来完成。以下是一个基本的 GPIO 配置示例：

#include "stm32f4xx_hal.h"

void GPIO_Config(void) {
    // 启用 GPIOA 时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    // 配置 GPIO 引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;  // 选择引脚 5
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 配置为推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;  // 不使用上拉/下拉电阻
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;  // 低速模式
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  // 初始化 GPIOA
}

在上面的代码中，我们配置了 GPIOA 的第 5 引脚为推挽输出模式，并且不使用上拉或下拉电阻。

GPIO 写操作​

在配置好 GPIO 引脚后，我们可以通过 HAL 库提供的函数来设置引脚的状态。以下是一个简单的写操作示例：

void GPIO_Write(void) {
    // 设置 GPIOA 的第 5 引脚为高电平
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

    // 设置 GPIOA 的第 5 引脚为低电平
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
}

在上面的代码中，我们使用 HAL_GPIO_WritePin 函数来控制 GPIOA 的第 5 引脚的状态。GPIO_PIN_SET 表示将引脚设置为高电平，GPIO_PIN_RESET 表示将引脚设置为低电平。

GPIO 读操作​

除了写操作，我们还可以通过 GPIO 引脚读取外部信号的状态。以下是一个简单的读操作示例：

void GPIO_Read(void) {
    // 读取 GPIOA 的第 5 引脚的状态
    GPIO_PinState pinState = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

    if (pinState == GPIO_PIN_SET) {
        // 引脚为高电平
    } else {
        // 引脚为低电平
    }
}

在上面的代码中，我们使用 HAL_GPIO_ReadPin 函数来读取 GPIOA 的第 5 引脚的状态。GPIO_PIN_SET 表示引脚为高电平，GPIO_PIN_RESET 表示引脚为低电平。

实际案例：控制 LED​

让我们通过一个实际案例来展示如何使用 GPIO 控制 LED 灯。假设我们有一个 LED 灯连接到 GPIOA 的第 5 引脚，并且我们希望每隔 1 秒切换一次 LED 的状态。

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "stm32f4xx_hal_gpio.h"

void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Config(void);
void Delay(uint32_t ms);

int main(void) {
    // 初始化 HAL 库
    HAL_Init();

    // 配置系统时钟
    SystemClock_Config();

    // 配置 GPIO
    GPIO_Config();

    while (1) {
        // 切换 LED 状态
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);

        // 延时 1 秒
        Delay(1000);
    }
}

void GPIO_Config(void) {
    // 启用 GPIOA 时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    // 配置 GPIO 引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
    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);
}

void Delay(uint32_t ms) {
    // 简单的延时函数
    HAL_Delay(ms);
}

在上面的代码中，我们使用 HAL_GPIO_TogglePin 函数来切换 GPIOA 的第 5 引脚的状态，从而实现 LED 灯的闪烁效果。

总结​

通过本文，我们学习了如何在 STM32 微控制器上进行 GPIO 的读写操作。我们从 GPIO 的基础概念入手，逐步讲解了 GPIO 的配置、读取和写入操作，并通过实际案例展示了如何控制 LED 灯。

提示

在实际项目中，GPIO 的配置和使用可能会更加复杂。建议读者在掌握基础知识后，进一步学习 STM32 的其他外设功能，如定时器、中断等。

附加资源​

练习​

  1. 修改上面的代码，使得 LED 灯以不同的频率闪烁。
  2. 尝试使用 GPIO 的输入模式读取按钮的状态，并根据按钮的状态控制 LED 灯。