单片机中的基础外设GPIO的知识和应用—（6）

GPIO（通用输入输出）是单片机与外部世界交互的重要接口。单片机的GPIO引脚可以灵活配置为输入、输出、中断或复用功能，广泛应用于LED控制、按键读取、传感器通信等场景。下文以STM32F103C8T6的GPIO为例。有些51单片机IO功能有的稍微有不同，具体要以规格书为准。

一、GPIO的基本功能与特性
1.1 GPIO引脚概述
STM32F103C8T6的GPIO引脚分布在多个端口（如PA、PB、PC、PD），每个引脚可以独立配置为以下模式：
输入模式：浮空输入、上拉输入、下拉输入。
输出模式：推挽输出、开漏输出。
复用功能：连接内部外设（如USART、I²C、SPI）。
模拟模式：用于ADC或DAC。
1.2 电气特性
输入电平：支持5V输入，但输出电平为3.3V。
输出能力：支持20mA电流输出，适用于驱动小型LED。
速度设置：提供2MHz、10MHz、50MHz三种速度选项。

二、GPIO的配置方法
2.1 初始化GPIO
在使用GPIO之前，需要通过以下步骤进行初始化：
1.使能时钟：通过RCC_APB2PeriphClockCmd()函数启用GPIO端口的时钟。
2.配置引脚模式：通过GPIO_InitTypeDef结构体设置引脚模式、速度、上拉/下拉电阻等参数。
3.应用配置：调用GPIO_Init()函数应用配置。
例：

#include "stm32f10x.h"

void GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 使能GPIOC时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

    // 配置PC13为推挽输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
}

2.2 GPIO操作
设置引脚电平：

GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);  // 设置PC13为高电平
GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);  // 设置PC13为低电平

读取引脚状态：

if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0)) {
    // 检测到高电平
}

三、GPIO的应用实例

3.1 LED控制
通过配置为输出功能，阔以控制外部LED的亮灭，是很常用的功能

int main(void) {
    GPIO_Init();  // 初始化GPIO

    while (1) {
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);  // 点亮LED
        for (volatile int i = 0; i < 500000; i++);
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);  // 熄灭LED
        for (volatile int i = 0; i < 500000; i++);
    }
}

3.2 按键/开关读取
将GPIO配置为输入模式，用于读取按键或开关状态

void GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  // 上拉输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

int main(void) {
    GPIO_Init();

    while (1) {
        if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0) {
            // 按键按下
        }
    }
}

3.3 复用功能
有的GPIO除开基本的输入输出功能外，还有其他复用功能，比如通讯、定时器PWM输出，PWM输入捕获等

void UART_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 使能USART1和GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置PA9为USART1_TX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置PA10为USART1_RX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置USART1
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

四、性能优化与注意事项
4.1 时钟管理
在配置GPIO之前，必须启用对应的时钟。
合理选择时钟源和分频因子，以平衡性能和功耗。
4.2 中断配置
GPIO支持中断功能，可用于检测按键按下、外部信号触发等。
配置GPIO中断需要设置中断优先级和中断处理函数。
4.3 功耗管理
在不需要GPIO功能时，可以将其配置为浮空输入模式。
使用低功耗模式（如睡眠模式）减少系统功耗。
4.4 软件配置
不使用的IO 软件上不要去配置功能，或者如果配置功能了，硬件没用上的IO记得加上 下拉/上拉电阻，以免出错。