3. STM32硬件基础回顾

各位同学，欢迎来到第三章。从这章开始，我们终于要跟硬件打交道了。

GPIO，全称是General-Purpose Input/Output，通用输入输出口。说白了，它就是芯片上那些可以编程控制的引脚。你可以让它们输出高电平或低电平，也可以读取外部信号是0还是1。

我刚开始学嵌入式那会儿，觉得GPIO不就是点个灯嘛，有啥好学的？后来做项目才发现，GPIO的配置细节直接决定了整个系统的稳定性。嗯，咱们今天就从最基础的开始，一步步来。

3.1 GPIO工作原理

先看一张图，了解一下GPIO的内部结构。

这张图展示了GPIO的核心结构。左边是输出路径，右边是输入路径，中间是模式配置。

STM32的GPIO有8种工作模式，但咱们做LED控制，主要用两种：

模式	说明	典型用途
推挽输出	引脚可以输出高电平或低电平，驱动能力强	LED控制、蜂鸣器
浮空输入	引脚电平由外部决定，内部不上拉也不下拉	按键检测
上拉输入	内部接上拉电阻，默认高电平	防抖动的按键
开漏输出	只能输出低电平，高电平靠外部上拉	I2C总线

3.2 Rust中GPIO的配置与操作

在Rust嵌入式HAL里，GPIO的操作被抽象成了几个trait。咱们用的是stm32f4xx-hal这个crate，它把底层的寄存器操作都封装好了。

先看一个完整的LED闪烁程序：

#![no_std]
#![no_main]

use cortex_m_rt::entry;
use panic_halt as _;
use stm32f4xx_hal as hal;

use hal::{
    pac,
    prelude::*,
    timer::Timer,
};

#[entry]
fn main() -> ! {
    // 1. 获取外设实例
    let dp = pac::Peripherals::take().unwrap();
    let cp = cortex_m::Peripherals::take().unwrap();

    // 2. 初始化GPIO
    let gpioc = dp.GPIOC.split();
    let mut led = gpioc.pc13.into_push_pull_output();

    // 3. 初始化定时器
    let mut timer = Timer::syst(cp.SYST, 1.hz(), &dp.CLOCK);

    // 4. 主循环
    loop {
        led.set_high();
        timer.wait();
        led.set_low();
        timer.wait();
    }
}

这段代码看着简单，但背后有几个关键点，我得跟你聊聊。

3.2.1 获取外设

pac::Peripherals::take()这个调用，在Rust里只能执行一次。为什么？

因为硬件寄存器是全局共享的资源。如果两个地方都能拿到同一个GPIO的寄存器，同时去写，那不乱套了？Rust的所有权模型在这里发挥了作用——take()返回一个Option，第一次调用拿到Some，第二次就是None了。

3.2.2 拆分GPIO

gpioc.split()这个操作，把整个GPIOC端口拆成了独立的引脚。每个引脚都是一个独立的结构体，有自己的类型。

比如pc13，它的类型是PC13<Analog>。调用into_push_pull_output()之后，类型变成了PC13<Output<PushPull>>。

这就是Rust的类型系统在帮你做硬件配置的静态检查。如果你忘了配置引脚模式，编译器直接报错，根本不会让你编译通过。

3.3 理解所有权与借用模型在硬件操作中的应用

这部分可能是很多Rust初学者最头疼的地方。我尽量用大白话讲清楚。

先看一个会编译失败的例子：

// 这段代码编译不通过！
let mut led = gpioc.pc13.into_push_pull_output();

let led_ref1 = &led;
let led_ref2 = &led;

led.set_high();  // 错误！led已经被不可变借用
println!("{:?}", led_ref1);
println!("{:?}", led_ref2);

为什么会这样？

因为led代表的是一个真实的硬件引脚。如果你同时持有多个引用，Rust无法保证你不会通过其中一个引用去修改引脚状态，而另一个引用还蒙在鼓里。

在嵌入式场景下，这个规则尤其重要。你想想看，如果两个中断服务函数都引用了同一个引脚，一个在置高，一个在置低，那引脚到底输出什么？

正确的做法是：要么转移所有权，要么用可变引用：

// 方式一：转移所有权
fn toggle_led(mut led: PC13<Output<PushPull>>) {
    led.set_high();
    // led 在这里被drop，所有权转移出去了
}

// 方式二：可变借用
fn toggle_led_ref(led: &mut PC13<Output<PushPull>>) {
    led.set_high();
}

// 调用
toggle_led(led);  // led的所有权转移给了函数
// 这里不能再使用led

// 或者
toggle_led_ref(&mut led);  // 可变借用
led.set_low();  // 借用结束后，可以继续使用

3.4 实现LED闪烁——完整实战

好了，理论讲完了，咱们来写一个完整的LED闪烁程序。这次用PB0引脚，接一个LED。

硬件连接：

STM32引脚	LED
PB0	阳极（正极）
GND	阴极（负极）

代码实现：

#![no_std]
#![no_main]

use cortex_m_rt::entry;
use panic_halt as _;
use stm32f4xx_hal as hal;

use hal::{
    pac,
    prelude::*,
    timer::Timer,
};

#[entry]
fn main() -> ! {
    let dp = pac::Peripherals::take().unwrap();
    let cp = cortex_m::Peripherals::take().unwrap();

    // 初始化GPIOB
    let gpiob = dp.GPIOB.split();
    let mut led = gpiob.pb0.into_push_pull_output();

    // 配置定时器，1Hz = 1秒闪烁一次
    let mut timer = Timer::syst(cp.SYST, 1.hz(), &dp.CLOCK);

    loop {
        // 点亮LED
        led.set_high();
        timer.wait();

        // 熄灭LED
        led.set_low();
        timer.wait();
    }
}

这段代码跑起来，LED就会以1秒的频率闪烁。

3.5 避坑指南

最后，分享几个我踩过的坑：

• 引脚复用冲突：STM32的很多引脚有多个功能。比如PB0也可能是I2C的SCL。如果你在别的地方初始化了I2C，这里再用PB0做GPIO，就会冲突。解决办法是仔细看数据手册，确认引脚没有被占用。
• 时钟未使能：在HAL里，split()会自动使能GPIO时钟。但如果你直接操作寄存器，别忘了手动使能。我曾经因为这个，折腾了整整一个下午。
• LED极性：有的开发板LED是低电平点亮，高电平熄灭。如果你的LED不亮，试试把set_high()换成set_low()。

好了，这一章的内容就到这里。GPIO看似简单，但它是所有外设操作的基础。把这一章吃透了，后面的UART、SPI、I2C都会轻松很多。