STM32标准库GPIO配置与使用详解

HunEI
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一、GPIO基本概念

GPIO(General Purpose Input/Output)即通用输入输出端口，是STM32微控制器最基本的外设功能。每个GPIO引脚都可以独立配置为输入或输出模式，是连接微控制器与外部设备的重要接口。

在STM32中，GPIO端口通常以字母命名（如GPIOA、GPIOB等），每个端口包含多个引脚（通常0-15）。GPIO的功能不仅限于简单的数字输入输出，还可以配置为复用功能，如USART、SPI、I2C等外设的通信接口。

二、GPIO工作模式详解（标准库）

STM32标准库提供了8种GPIO工作模式，通过GPIO_InitTypeDef结构体中的GPIO_Mode成员进行配置：

输入模式

  1. ​浮空输入(GPIO_Mode_IN_FLOATING)​​

    • 引脚处于高阻抗状态，电平完全由外部电路决定
    • 适用于按键检测、开关量输入等场景
    • 注意：当引脚悬空时，电平状态不确定

  2. ​上拉输入(GPIO_Mode_IPU)​​

    • 内部上拉电阻使能，默认高电平
    • 当外部无信号时，引脚保持高电平
    • 适用于按键检测（按键接地时）

  3. ​下拉输入(GPIO_Mode_IPD)​​

    • 内部下拉电阻使能，默认低电平
    • 当外部无信号时，引脚保持低电平
    • 适用于某些需要默认低电平的传感器接口

  4. ​模拟输入(GPIO_Mode_AIN)​​

    • 引脚连接到ADC模块
    • 用于模拟信号采集
    • 注意：此模式下数字输入功能不可用

输出模式

  1. ​开漏输出(GPIO_Mode_Out_OD)​​

    • 只能输出低电平或高阻态
    • 需要外部上拉电阻才能输出高电平
    • 适用于I2C等需要线与功能的接口

  2. ​推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP)​​

    • 可以输出强高电平和强低电平
    • 驱动能力强，最常用的输出模式
    • 适用于LED控制、继电器驱动等

  3. ​复用开漏(GPIO_Mode_AF_OD)​​

    • 用于外设功能的开漏输出
    • 如I2C的SCL/SDA引脚

  4. ​复用推挽(GPIO_Mode_AF_PP)​​

    • 用于外设功能的推挽输出
    • 如USART的TX引脚、SPI的SCK引脚等

三、GPIO输出配置与使用

1. 配置步骤详解

// 1. 定义GPIO初始化结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 2. 使能GPIO时钟（必须步骤）
// STM32的外设都需要先使能时钟才能使用
// APB2总线上的GPIOA-GPIOG时钟使能
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 例如使能GPIOA

// 3. 配置GPIO参数
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;      // 配置PA5引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 输出速度50MHz

// 4. 初始化GPIO
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

2. 输出控制函数详解

// 设置引脚为高电平
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);

// 设置引脚为低电平
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);

// 直接写入整个端口（16位）
GPIO_Write(GPIOA, 0xFFFF); // 所有引脚置高
GPIO_Write(GPIOA, 0x0000); // 所有引脚置低

// 写入单个引脚（更安全的方式）
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, Bit_SET);   // 置高
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_5, Bit_RESET); // 置低

// 切换引脚电平状态（标准库没有直接函数，可自行封装）
void GPIO_ToggleBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOx, GPIO_Pin) == Bit_SET)
        GPIO_ResetBits(GPIOx, GPIO_Pin);
    else
        GPIO_SetBits(GPIOx, GPIO_Pin);
}

四、GPIO输入配置与使用

1. 配置步骤详解

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 使能GPIO时钟（以GPIOB为例）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

// 配置GPIO参数（PB12为例）
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  // 上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

// 初始化GPIO
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

2. 输入状态读取详解

STM32标准库提供了多种读取GPIO状态的函数：

// 读取单个输入引脚电平（最常用）
uint8_t pinState = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_12);
if(pinState == Bit_SET) {
    // 高电平处理逻辑
} else {
    // 低电平处理逻辑
}

// 读取整个端口的输入状态（16位）
uint16_t portState = GPIO_ReadInputData(GPIOB);

// 读取输出寄存器状态（了解当前配置的输出状态）
uint8_t outputState = GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_12);
uint16_t portOutputState = GPIO_ReadOutputData(GPIOB);

3. 输入模式选择建议

  • ​按键检测​：通常使用上拉输入模式，按键接地。当按键按下时，引脚被拉低；松开时，内部上拉使引脚保持高电平。

  • ​传感器数字信号​：根据传感器输出特性选择：

    • 开漏输出的传感器：使用上拉输入
    • 推挽输出的传感器：可使用浮空输入

  • ​高速信号​：如外部中断、编码器输入等，建议使用浮空输入，由外部电路确定上下拉。

五、GPIO速度配置详解

在输出模式下，GPIO速度配置影响信号的上升/下降时间和抗干扰能力：

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 最常用

三种可选速度：

  1. ​GPIO_Speed_10MHz​

    • 输出速度较低
    • 功耗较小
    • 适用于低速信号，如LED控制、低频通信

  2. ​GPIO_Speed_2MHz​

    • 输出速度最慢
    • 功耗最低
    • 适用于对速度要求极低的场合

  3. ​GPIO_Speed_50MHz​

    • 最高输出速度（默认推荐）
    • 驱动能力强，信号边沿陡峭
    • 适用于高速通信（SPI、USART等）和快速切换的场合
    • 注意：高速模式可能增加EMI干扰

选择建议：

  • 普通I/O控制：10MHz或50MHz
  • 通信接口：50MHz
  • 电池供电设备：根据实际需要选择最低可用速度

六、GPIO使用注意事项

  1. ​时钟使能​
    使用任何GPIO前必须使能对应的时钟，否则配置无效。
  2. ​复用功能​
    当GPIO配置为复用功能时（如USART、SPI等），需要同时使能对应外设的时钟。
  3. ​5V容忍​
    只有部分STM32引脚是5V容忍的（标记为FT的引脚），其他引脚输入电压不能超过VDD+0.3V。
  4. ​初始化顺序​
    建议先配置GPIO，再初始化相关外设。
  5. ​功耗考虑​
    未使用的GPIO最好配置为模拟输入模式以降低功耗。
  6. ​输入滤波​
    对于抖动较大的输入信号，建议在硬件上增加RC滤波，或在软件中实现去抖动算法。

七、完整示例代码

LED闪烁示例（输出模式）

#include "stm32f10x.h"

/**
  * @brief  毫秒级延时
  * @param  xms 延时时长，范围：0~4294967295
  * @retval 无
  */
void Delay_ms(uint32_t xms)
{
	while(xms--)
	{
		Delay_us(1000);
	}
}

int main(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟
															//使用各个外设前必须开启时钟，否则对外设的操作无效
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;					//定义结构体变量
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;		//GPIO模式，赋值为推挽输出模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;				//GPIO引脚，赋值为第0号引脚
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		//GPIO速度，赋值为50MHz
	
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将赋值后的构体变量传递给GPIO_Init函数
															//函数内部会自动根据结构体的参数配置相应寄存器
															//实现GPIOA的初始化
	
	/*主循环，循环体内的代码会一直循环执行*/
	while (1)
	{
		/*设置PA0引脚的高低电平，实现LED闪烁，下面展示3种方法*/
		
		/*方法1：GPIO_ResetBits设置低电平，GPIO_SetBits设置高电平*/
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);					//将PA0引脚设置为低电平
		Delay_ms(500);										//延时500ms
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);					//将PA0引脚设置为高电平
		Delay_ms(500);										//延时500ms
		
		/*方法2：GPIO_WriteBit设置低/高电平，由Bit_RESET/Bit_SET指定*/
		GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, Bit_RESET);		//将PA0引脚设置为低电平
		Delay_ms(500);										//延时500ms
		GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, Bit_SET);			//将PA0引脚设置为高电平
		Delay_ms(500);										//延时500ms
		
		/*方法3：GPIO_WriteBit设置低/高电平，由数据0/1指定，数据需要强转为BitAction类型*/
		GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, (BitAction)0);		//将PA0引脚设置为低电平
		Delay_ms(500);										//延时500ms
		GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, (BitAction)1);		//将PA0引脚设置为高电平
		Delay_ms(500);										//延时500ms
	}
}
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