嵌(qian)入式系統如何使用GPIO
時(shi)間：2025-01-13 來源：華(hua)清遠見
在嵌入式(shi)系(xi)統開(kai)發的廣(guang)闊(kuo)領域中，GPIO（General Purpose Input/Output，通(tong)用輸(shu)入輸(shu)出(chu)）端口(kou)的操作(zuo)占(zhan)據(ju)了核心地位。這些端口(kou)不僅(jin)是微(wei)控制(zhi)器與外(wai)部世界溝通(tong)的橋梁(liang)，也是實現設(she)備控制(zhi)、數據(ju)采集等功能的基石。以下我們(men)介紹以下在嵌入式(shi)系(xi)統中如何使用GPIO,特別針對常見的硬件平臺如STM32、ESP32等。
1. 硬件平臺與GPIO結(jie)構(gou)解析
首先需要深入了解GPIO架構。這(zhe)通(tong)常(chang)涉(she)及(ji)查閱硬件手冊，了解GPIO端口的寄存器地址(zhi)、功(gong)能定義以(yi)及(ji)時鐘控制等(deng)細節(jie)。
以STM32為例，可(ke)在硬件(jian)手冊(ce)中(zhong)(zhong)查看(kan)到GPIO中(zhong)(zhong)關于I/O端口位的基本(ben)結(jie)構(gou)圖。從圖中(zhong)(zhong)可(ke)以看(kan)出GPIO大致有3種(zhong)功能：輸入(ru)(Read)、輸出(Write)和其(qi)他(To/from on-chip peripherals,power control and EXIT)。我們就(jiu)從這3種(zhong)功能入(ru)手來(lai)學習GPIO的應用。如下：
2. GPIO引腳(jiao)模式配置
以STM32為例，其GPIO端口的配置高度依賴于HAL（硬件抽(chou)象層(ceng)）庫(ku)(ku)，通(tong)過該庫(ku)(ku)可(ke)以簡化硬件操(cao)作，提(ti)高開發效(xiao)率。
在(zai)STM32中(zhong)，配置(zhi)GPIO引腳(PB2)輸出模(mo)式通常涉及以下步驟：
在(zai)STM32中，配置GPIO引腳(PA8)輸入模式(shi)通(tong)常涉(she)及以下步(bu)驟：
在STM32中，配置GPIO引(yin)腳(jiao)外部中斷模式(PA8上升沿中斷)通常涉及以下步驟：
3. 讀取GPIO引(yin)腳狀態
在(zai)輸入模式下，GPIO引腳的狀態可(ke)通過(guo)讀(du)取對應寄存器獲取。以(yi)下是一個讀(du)取GPIO引腳狀態的函數示例：
3. 寫入GPIO引(yin)腳狀態
在(zai)輸出模式下(xia)(xia)，通(tong)過(guo)寫入特定(ding)值到GPIO寄存器可(ke)以控制(zhi)引腳(jiao)輸出高電(dian)平或低(di)電(dian)平。以下(xia)(xia)是(shi)一個寫入GPIO引腳(jiao)狀態(tai)的函數示例：
3. 中斷處理(li)函數(shu)定義
在EXIT中(zhong)斷(duan)模式下，在中(zhong)斷(duan)觸(chu)發(fa)時系統會自動調用中(zhong)斷(duan)服(fu)務程序。中(zhong)斷(duan)服(fu)務程序中(zhong)會默認使用HAL庫(ku)的(de)API去處理(li)中(zhong)斷(duan)。為了讓(rang)開發(fa)人員能自定義處理(li)功能，在HAL中(zhong)留出允許開發(fa)人員重寫(xie)的(de)回(hui)調函數API。以(yi)下是一(yi)個對(dui)應PA8引腳(jiao)的(de)上(shang)升沿中(zhong)斷(duan)模式開發(fa)代碼：
在EXIT中斷(duan)模式(shi)下,可以在stm32xxx_it.c中查看到中斷(duan)服務程(cheng)序定(ding)義：
重定義HAL對應的EXIT回調函數：
3. 高級配置與優化(hua)
時鐘使(shi)能與(yu)電(dian)源管(guan)理：確保在配置GPIO之前，相關(guan)的時鐘已被(bei)使(shi)能，并且GPIO引腳(jiao)連(lian)接的外部設(she)備或電(dian)路符合(he)微控制器(qi)的電(dian)源要求。
引腳復用(yong)(yong)：在STM32等(deng)(deng)微控(kong)制器中，某(mou)些引腳支持(chi)多(duo)種(zhong)功能復用(yong)(yong)（如GPIO、UART TX等(deng)(deng)）。在配(pei)置前需(xu)明確選(xuan)擇所(suo)需(xu)功能，并可(ke)能需(xu)要配(pei)置復用(yong)(yong)功能寄(ji)存器。
中(zhong)斷配(pei)(pei)置：對于需(xu)要快速(su)響應的外部事(shi)件，可通(tong)過(guo)配(pei)(pei)置GPIO中(zhong)斷來實現。STM32 HAL庫提供(gong)了相應的API來配(pei)(pei)置GPIO中(zhong)斷。
速度與輸(shu)(shu)出模式(shi)(shi)：根據應(ying)用需求，合(he)理設置GPIO的速度和輸(shu)(shu)出模式(shi)(shi)（如推挽輸(shu)(shu)出、開漏輸(shu)(shu)出、復(fu)用功能(neng)輸(shu)(shu)出等(deng)）。
7. 擴展應用
基于(yu)GPIO的基礎操(cao)作，可以(yi)進一步實(shi)現(xian)更復雜的功能，如PWM（脈(mo)沖寬(kuan)度(du)調制）控制LED亮度(du)、ADC（模擬數字轉換器）讀取傳感器數據、通過(guo)UART/SPI/I2C等接口(kou)與外部設備(bei)通信(xin)等。這些功能的實(shi)現(xian)均離不開(kai)對GPIO的深入理解與應用。
