2. GPIO 输入输出基础：从寄存器到 HAL 库

GPIO，说白了就是单片机跟外界打交道的最基本通道。我刚开始学 STM32 的时候，觉得不就是个引脚嘛，能有多复杂？后来做项目才发现，光是一个推挽和开漏的选择，就能让板子工作不正常。这一章，咱们就把 GPIO 的底裤扒干净。

2.1 GPIO 模式详解

STM32 的每个 GPIO 引脚都可以配置成多种模式。你想想看，一个引脚既要能输出高电平点亮 LED，又要能检测按键按下，还要能模拟通信协议，它内部得有多复杂？

2.1.1 推挽输出 vs 开漏输出

这是最常用的两种输出模式，也是面试最爱问的。

推挽输出：内部有两个管子（一个推，一个挽）。输出 1 时，上管导通，直接怼到 VDD；输出 0 时，下管导通，拉到 GND。速度快，驱动强。我习惯用它来驱动 LED，简单粗暴。

开漏输出：只有下管，上管被砍掉了。输出 0 时，下管导通拉低；输出 1 时，下管断开，引脚处于高阻态。所以必须外接一个上拉电阻到 VDD，才能输出高电平。为什么要这么麻烦？因为多个开漏输出的引脚可以“线与”在一起，任何一个拉低，总线就是低电平。I2C 协议就是靠这个工作的。

2.1.2 上拉与下拉

输入模式下，引脚不能悬空。悬空意味着电平不确定，读到的值可能是 0 也可能是 1，完全看心情。STM32 内部集成了上拉和下拉电阻，省掉了外部电阻。

• 上拉输入：内部接一个约 40kΩ 的电阻到 VDD。默认读到的就是高电平。按键按下，引脚接地，读到低电平。
• 下拉输入：内部接一个约 40kΩ 的电阻到 GND。默认读到的就是低电平。按键按下，引脚接 VDD，读到高电平。
• 浮空输入：内部不上拉也不下拉。引脚电平完全由外部决定。适合外部已经有驱动电路的场景。

2.2 GPIO 寄存器详解

用 HAL 库之前，我建议你先看看寄存器。不是为了炫技，而是为了理解底层到底发生了什么。STM32 的 GPIO 寄存器不多，但每个都很关键。

2.2.1 端口配置寄存器 (GPIOx_CRL / CRH)

这两个寄存器决定了每个引脚的模式和速度。CRL 控制低 8 位（Pin 0-7），CRH 控制高 8 位（Pin 8-15）。每个引脚占用 4 个 bit。

MODE 位除了配置模式，还配置了输出速度。速度越高，功耗越大，EMI 也越强。我一般 LED 用 2MHz，SPI 用 50MHz，够用就行，别盲目开最高速。

2.2.2 端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR)

写这个寄存器，就能控制引脚输出高电平还是低电平。比如 ODR 的第 0 位写 1，PA0 就输出高电平；写 0，就输出低电平。

2.2.3 端口输入数据寄存器 (GPIOx_IDR)

读这个寄存器，就能知道引脚当前的电平状态。IDR 是只读的，你只能读，不能写。

2.3 实战：使用寄存器点亮 LED

咱们来点个灯。假设 LED 接在 PA0 上，高电平点亮。用寄存器操作，代码非常直接。

// 开启 GPIOA 时钟
RCC->APB2ENR |= (1 << 2);   // RCC_APB2ENR 的第 2 位是 IOPAEN

// 配置 PA0 为推挽输出，50MHz
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);  // 先清零 CNF0 和 MODE0
GPIOA->CRL |= (0x3 << 0);   // MODE0 = 11 (50MHz), CNF0 = 00 (推挽)

// 点亮 LED
GPIOA->ODR |= (1 << 0);     // PA0 输出高电平

// 熄灭 LED
GPIOA->ODR &= ~(1 << 0);    // PA0 输出低电平

你看，就这么几行。但要注意，操作 CRL 时一定要先清零再赋值，否则会影响到其他引脚。我见过有人直接赋值，结果把其他引脚的模式改乱了，查了半天。

2.4 实战：使用 HAL 库点亮 LED

HAL 库封装了上面的寄存器操作，用起来更安全，也更可读。但代价是代码体积变大，执行速度变慢。对于 LED 这种低速操作，完全没问题。

// 定义 GPIO 初始化结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

// 开启 GPIOA 时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

// 配置 PA0
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;   // 推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;           // 不上拉也不下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;  // 低速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 点亮 LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);

// 熄灭 LED
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);

// 翻转 LED
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0);

2.5 实战：按键输入检测

按键检测比 LED 麻烦一点，因为存在机械抖动。按键按下和释放的瞬间，电平会跳变多次，如果不做处理，程序会误判为多次按下。

2.5.1 硬件去抖 vs 软件去抖

硬件去抖：在按键两端并联一个 0.1μF 的电容。简单有效，但增加 BOM 成本。

软件去抖：检测到电平变化后，延时 10-20ms 再读一次。如果电平一致，就确认是有效动作。不花钱，但占用 CPU 时间。

我一般用软件去抖，因为省成本。但要注意，延时不能用 HAL_Delay() 这种阻塞延时，否则会影响系统实时性。可以用定时器或者状态机来实现非阻塞去抖。

2.5.2 寄存器方式实现按键检测

假设按键接在 PA1，按下为低电平（外部上拉）。

// 配置 PA1 为上拉输入
GPIOA->CRL &= ~(0xF << 4);  // 清零 CNF1 和 MODE1
GPIOA->CRL |= (0x8 << 4);   // CNF1 = 10 (上拉/下拉), MODE1 = 00 (输入)

// 读取按键状态
if ((GPIOA->IDR & (1 << 1)) == 0) {
    // 按键按下
    // 延时去抖
    for (volatile uint32_t i = 0; i < 100000; i++);
    if ((GPIOA->IDR & (1 << 1)) == 0) {
        // 确认按键按下
    }
}

2.5.3 HAL 库方式实现按键检测

// 配置 PA1 为上拉输入
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 读取按键状态
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET) {
    // 按键按下
    HAL_Delay(20);  // 延时去抖
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET) {
        // 确认按键按下
    }
}

2.6 本章知识结构图

下面这张图把 GPIO 的核心知识点串起来了，你可以对照着回顾一下。

嗯，这一章的内容就到这儿。GPIO 看似简单，但它是所有外设的基础。推挽和开漏的区别、上拉和下拉的应用、寄存器和 HAL 库的对比，这些搞清楚了，后面的章节你会轻松很多。