2. GPIO 外设驱动基础：从寄存器到实战

GPIO，说白了就是芯片的「手脚」。你要让 LED 亮、检测按键、驱动小电机，都得通过它。我刚开始用 Rust 写嵌入式驱动时，第一件事就是把 GPIO 的寄存器模型搞清楚——寄存器看不懂，后面全是瞎蒙。

2.1 GPIO 寄存器模型

每个 GPIO 端口背后都有一组寄存器。以 STM32 为例，一个 GPIO 端口通常包含以下寄存器：

寄存器	偏移	作用
MODER	0x00	模式选择（输入/输出/复用/模拟）
OTYPER	0x04	输出类型（推挽/开漏）
OSPEEDR	0x08	输出速度
PUPDR	0x0C	上下拉配置
IDR	0x10	输入数据寄存器（只读）
ODR	0x14	输出数据寄存器
BSRR	0x18	位设置/复位寄存器

嗯，这里要注意：BSRR 是写 1 有效的寄存器。你往低 16 位写 1，对应引脚输出高电平；往高 16 位写 1，对应引脚输出低电平。这个设计很巧妙——一次写入就能同时控制多个引脚，不需要读-改-写。

2.2 输出模式实现

输出模式分两步：配模式、写数据。

先看 MODER 寄存器。每个引脚占 2 位：

• 00：输入模式
• 01：输出模式
• 10：复用功能
• 11：模拟模式

举个例子，让 PA5 变成输出：

// 假设 GPIOA 基地址为 0x40020000
let gpioa = 0x40020000 as *mut u32;
let moder = gpioa as *mut u32;  // MODER 偏移 0x00

// 读取当前 MODER 值
let mut val = unsafe { moder.read_volatile() };
// 清除 PA5 对应的 2 位（位 10-11）
val &= !(0b11 << 10);
// 设置为输出模式（01）
val |= 0b01 << 10;
unsafe { moder.write_volatile(val); }

写数据就更直接了。往 ODR 对应位写 1 或 0：

let odr = (gpioa as usize + 0x14) as *mut u32;
// PA5 输出高电平
unsafe { odr.write_volatile(1 << 5); }
// PA5 输出低电平
unsafe { odr.write_volatile(0 << 5); }

2.3 输入模式实现

输入模式更简单——配好模式，读 IDR 就行。

把引脚配成输入：

// 清除对应位，设为 00（输入模式）
val &= !(0b11 << 10);
unsafe { moder.write_volatile(val); }

读输入电平：

let idr = (gpioa as usize + 0x10) as *mut u32;
let bit = unsafe { idr.read_volatile() } & (1 << 5);
if bit != 0 {
    // 高电平
} else {
    // 低电平
}

你想想看，读输入其实就这一行代码。但坑往往不在读本身，而在外部信号的质量。按键按下会有抖动，机械开关弹跳能持续 5-20ms。我曾经在一个项目里直接读按键电平做触发，结果一次按下触发了七八次中断……

2.4 上下拉配置

上下拉解决的是「浮空」问题。引脚不接任何东西时，电平不确定——外界一点噪声就能让读值乱跳。

PUPDR 寄存器每个引脚占 2 位：

• 00：无上下拉
• 01：上拉
• 10：下拉
• 11：保留

配置上拉：

let pupdr = (gpioa as usize + 0x0C) as *mut u32;
let mut val = unsafe { pupdr.read_volatile() };
val &= !(0b11 << 10);  // 清除 PA5 的上下拉位
val |= 0b01 << 10;     // 上拉
unsafe { pupdr.write_volatile(val); }

下拉同理，改成 0b10 就行。

2.5 开漏输出与推挽输出

这两个概念，我当年学的时候也绕了一阵。说白了：

• 推挽输出：能主动拉高、拉低。像开关电源，要么接 VCC，要么接 GND。
• 开漏输出：只能拉低，不能主动拉高。要输出高电平，得靠外部上拉电阻。

OTYPER 寄存器每个引脚只占 1 位：

• 0：推挽输出
• 1：开漏输出

配置开漏：

let otyper = (gpioa as usize + 0x04) as *mut u32;
let mut val = unsafe { otyper.read_volatile() };
val |= 1 << 5;  // PA5 开漏
unsafe { otyper.write_volatile(val); }

什么时候用开漏？

• I2C 总线：必须开漏，多个设备才能共用一根线
• 电平转换：开漏 + 外部上拉到目标电压，3.3V 芯片就能驱动 5V 设备
• 线与逻辑：多个开漏输出接一起，任何一个拉低，总线就是低

2.6 知识结构总览

下面这张图把 GPIO 的核心知识点串起来了。我画图时习惯把「配置」和「数据」分开——配置是一次性的，数据是实时读写的。

2.7 实战要点总结

写 GPIO 驱动，记住这几条：

1. 先配模式，再读写数据——顺序反了，读出来全是 0
2. 输出用 BSRR，别用 ODR——避免读-改-写竞争
3. 输入要配上拉或下拉——浮空引脚是万恶之源
4. 开漏输出必须加外部上拉——不然高电平出不来
5. Rust 里用 volatile 操作寄存器——编译器不会优化掉你的读写