GPIO基础与LED控制：用embedded-hal点亮第一盏灯

做嵌入式开发，GPIO 是最基础也最绕不开的外设。说白了，它就是芯片伸出来的那些引脚，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。今天我们就从 GPIO 入手，用 Rust 和 embedded-hal 来操作 LED，先让它闪烁，再玩出呼吸灯的效果。

1. embedded-hal 的 GPIO 抽象

embedded-hal 是 Rust 嵌入式生态里的硬件抽象层。它定义了一组 trait，比如 OutputPin、InputPin、PwmPin。不同的芯片厂商（STM32、nRF、ESP32 等）只要实现了这些 trait，你的代码就能跨平台跑。

我个人习惯把 GPIO 操作分成三层来看：

你想想看，如果直接操作寄存器，换个芯片就得重写。但用 embedded-hal，应用层代码几乎不用改。我在项目中遇到过好几次芯片换型，只要 HAL 实现没变，LED 闪烁的代码一行都没动。

2. 点亮 LED：从闪烁开始

先来一个最简单的例子。假设我们有一个 STM32F4 开发板，LED 接在 PB5 上，低电平点亮。

use embedded_hal::digital::v2::OutputPin;
use stm32f4xx_hal::{
    pac,
    prelude::*,
    gpio::GpioExt,
};

fn main() -> ! {
    let dp = pac::Peripherals::take().unwrap();
    let rcc = dp.RCC.constrain();
    let clocks = rcc.cfgr.freeze();

    let gpiob = dp.GPIOB.split();
    let mut led = gpiob.pb5.into_push_pull_output();

    loop {
        led.set_low().unwrap();   // 点亮
        cortex_m::asm::delay(8_000_000);
        led.set_high().unwrap();  // 熄灭
        cortex_m::asm::delay(8_000_000);
    }
}

嗯，这里要注意：set_low() 点亮是因为硬件上 LED 的阴极接 GPIO，阳极接 VCC。如果你的板子是高电平点亮，那就反过来。我曾经因为没看原理图，调了半小时才发现是电平反了。

3. 从闪烁到呼吸灯：PWM 原理

闪烁太简单了，呼吸灯才有点意思。呼吸灯的本质是让 LED 的亮度随时间缓慢变化。怎么控制亮度？靠 PWM（脉冲宽度调制）。

PWM 的核心思想：在一个固定周期内，高电平占的比例（占空比）决定了平均电压。占空比 0% 就是全灭，100% 就是全亮，中间值对应不同亮度。

人眼有视觉暂留效应。只要 PWM 频率足够高（通常 1kHz 以上），你就不会看到闪烁，只会感觉到亮度的变化。呼吸灯就是让占空比从 0% 慢慢升到 100%，再慢慢降回来。

4. 用 embedded-hal 实现 PWM 呼吸灯

embedded-hal 里定义了 PwmPin trait，它提供了 set_duty() 方法来设置占空比。不同的芯片，PWM 的时钟源、定时器配置都不一样，但应用层的接口是统一的。

下面是一个基于 STM32F4 的呼吸灯示例：

use embedded_hal::PwmPin;
use stm32f4xx_hal::{
    pac,
    prelude::*,
    timer::Timer,
};

fn main() -> ! {
    let dp = pac::Peripherals::take().unwrap();
    let rcc = dp.RCC.constrain();
    let clocks = rcc.cfgr.freeze();

    let gpiob = dp.GPIOB.split();
    let led = gpiob.pb5.into_alternate();

    let timer = Timer::new(dp.TIM3, &clocks);
    let mut pwm = timer.pwm(led, 1.khz());
    let max_duty = pwm.get_max_duty();

    pwm.enable();

    loop {
        // 从暗到亮
        for duty in 0..=max_duty {
            pwm.set_duty(duty);
            delay_ms(1);
        }
        // 从亮到暗
        for duty in (0..=max_duty).rev() {
            pwm.set_duty(duty);
            delay_ms(1);
        }
    }
}

这里 get_max_duty() 返回的是 PWM 计数器的最大值。比如 16 位定时器，最大值就是 65535。你传 0 就是全灭，传 max_duty 就是全亮。

5. 调试经验：LED 不亮怎么办？

做硬件调试，LED 不亮是最常见的问题。我总结了一个排查清单：

1. 检查引脚模式：是 push-pull 还是 open-drain？LED 一般用 push-pull。
2. 检查电平极性：set_high 是亮还是灭？看原理图。
3. 检查时钟：GPIO 外设的时钟开了吗？RCC 里要 enable。
4. 检查限流电阻：LED 没串电阻？那可能已经烧了。
5. 用逻辑分析仪：看引脚波形，确认 PWM 频率和占空比对不对。

我曾经有一次调呼吸灯，LED 死活不亮。折腾了半天，发现是定时器的时钟源没配好，PWM 根本没输出。用逻辑分析仪一看，引脚一直是低电平。嗯，从那以后我每次都会先看波形。

6. 本章知识结构

这一章我们只用了 OutputPin 和 PwmPin。下一章会用到 InputPin 来做按键检测。但别急，先把 LED 玩熟了再说。