【硬件-筆試面試題】硬件/電子工程師，筆試面試題-51，（知識點：stm32，GPIO基礎知識）

1、題目

2、解答

3、相關知識點

一、GPIO 基本結構與特性

1. GPIO 硬件結構

2. 主要特性

二、GPIO 工作模式

1. 輸入模式

2. 輸出模式

3. 復用功能模式

4. 特殊模式

三、GPIO 配置步驟（以 STM32Cube HAL 庫為例）

1. 初始化 GPIO 時鐘

2. 配置 GPIO 引腳模式

3. 控制 GPIO 輸出

4. 讀取 GPIO 輸入

四、GPIO 的復用功能（AF）

五、GPIO 的中斷功能

六、GPIO 應用場景

七、注意事項

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【硬件-筆試面試題】硬件/電子工程師，筆試面試題-51，（知識點：stm32，GPIO基礎知識）

小米嵌入式面試題

1、題目

講一講對STM32中GPIO的理解

2、解答

gpio通用輸入輸出，

有四種輸入模式：浮空輸入，上拉輸入，下拉輸入，模擬輸入

四種輸出模式：推挽輸出，開漏輸出，復用開漏，復用推挽；

可以用于中斷控制，信號采集，信號輸出，作為SPI、USART、IIC等外設接口

3、相關知識點

STM32 GPIO（General-Purpose Input/Output，通用輸入輸出）是微控制器與外部世界交互的基礎接口，可配置為輸入或輸出模式，實現數字信號的讀取或輸出，廣泛用于連接傳感器、執行器、顯示設備等外設。以下從結構、配置、特性到應用場景進行詳細解析：

一、GPIO 基本結構與特性

1. GPIO 硬件結構

引腳分組：
STM32 系列（如 F1、F4、H7 等）通常將 GPIO 分為多個端口組（如 PA、PB、PC...），每組包含 16 個引腳（Pin0~Pin15），不同型號的 GPIO 數量和分組不同（如 STM32F103C8T6 有 7 組共 112 個 GPIO）。
內部結構：
每個 GPIO 引腳包含以下核心組件：
- 輸入緩沖器：讀取外部信號，支持浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入模式。
- 輸出驅動器：輸出高低電平，支持推挽輸出、開漏輸出模式。
- 復用功能控制器：可將 GPIO 復用為其他外設功能（如 USART、SPI、I2C 等）。
- 模擬通道：部分 GPIO 可配置為模擬輸入，用于 ADC 采樣或 DAC 輸出。
- 保護二極管：防止引腳電壓超出 VDD 或 VSS 范圍，增強抗干擾能力。

2. 主要特性

工作電壓：
- 標準 GPIO：通常支持 3.3V 電平，部分型號兼容 5V tolerant（如 STM32F1 系列部分引腳）。
- 低功耗型號（如 STM32L0/L4）：支持 1.8V~3.6V 寬電壓范圍。
驅動能力：
- 標準輸出電流：約 2~4mA（需外接上拉 / 下拉電阻增強驅動能力）。
- 部分引腳支持更高驅動電流（如 8mA 或 16mA，具體參考芯片手冊）。
配置靈活性：
每個引腳可獨立配置為不同模式，支持動態切換（運行時重配置）。

二、GPIO 工作模式

STM32 的 GPIO 支持 8 種工作模式，可分為四大類：

1. 輸入模式

浮空輸入（Floating Input）：
引腳無內部上拉 / 下拉電阻，電平由外部信號決定，適用于外部已提供上拉 / 下拉的場景（如按鍵連接外部上拉電阻）。
上拉輸入（Pull-up Input）：
內部上拉電阻使引腳默認保持高電平，外部信號拉低時讀取低電平（如按鍵接地時觸發）。
下拉輸入（Pull-down Input）：
內部下拉電阻使引腳默認保持低電平，外部信號拉高時讀取高電平。
模擬輸入（Analog Input）：
禁用數字輸入緩沖器，引腳直接連接 ADC 采樣電路，用于模擬信號采集（如溫度傳感器、電壓檢測）。

2. 輸出模式

推挽輸出（Push-Pull Output）：
輸出驅動器通過 PMOS 和 NMOS 管實現高低電平輸出，可直接驅動小負載（如 LED），輸出電流約 2~4mA。
開漏輸出（Open-Drain Output）：
僅 NMOS 管導通時輸出低電平，高電平時輸出呈高阻態，需外接上拉電阻才能輸出高電平，適用于 I2C 總線、線與邏輯等場景。

3. 復用功能模式

復用推挽輸出（Alternate Function Push-Pull）：
引腳由片上外設（如 USART、SPI）控制輸出，支持推挽特性（如 USART 的 TX 引腳）。
復用開漏輸出（Alternate Function Open-Drain）：
引腳由片上外設控制，支持開漏特性（如 I2C 的 SDA/SCL 引腳）。

4. 特殊模式

模擬模式：
引腳既不連接輸入緩沖器也不連接輸出驅動器，用于低功耗或模擬電路設計（如 ADC 采樣時減少數字干擾）。

三、GPIO 配置步驟（以 STM32Cube HAL 庫為例）

1. 初始化 GPIO 時鐘

每個 GPIO 端口組由獨立的 APB 總線時鐘控制，需先使能對應時鐘：

運行

// 使能GPIOA時鐘（以PA5為例）
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

2. 配置 GPIO 引腳模式

使用GPIO_InitTypeDef結構體配置引腳參數：

運行

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};// 配置PA5為推挽輸出模式
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;     // 推挽輸出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;             // 無上下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;    // 低速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

3. 控制 GPIO 輸出

輸出高 / 低電平：

運行

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);   // 輸出高電平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 輸出低電平

翻轉電平（常用于生成方波）：
c

運行
```
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
```

4. 讀取 GPIO 輸入

運行

GPIO_PinState pinState = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);
if (pinState == GPIO_PIN_SET) {// 引腳為高電平
} else {// 引腳為低電平
}

四、GPIO 的復用功能（AF）

GPIO 可通過復用功能控制器（AF）連接到片上外設（如 USART、SPI、TIM 等），需配置以下步驟：

使能外設時鐘：
c

運行
```
__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
```

配置 GPIO 為復用模式：

運行

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;  // USART1_TX/RX
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;          // 復用推挽輸出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;     // 指定復用功能（AF7對應USART1）
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

初始化外設：

運行

// 配置USART1參數（波特率、數據位等）
USART_HandleTypeDef huart1;
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
// 其他參數配置...
HAL_UART_Init(&huart1);

五、GPIO 的中斷功能

GPIO 可配置為外部中斷源，支持上升沿、下降沿或雙邊沿觸發，步驟如下：

使能 SYSCFG 時鐘（部分型號需要）：
c

運行
```
__HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();
```

配置 GPIO 為中斷模式：

運行

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;     // 上升沿觸發中斷
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

配置 NVIC 中斷優先級：

運行

HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);  // 設置中斷優先級
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);          // 使能中斷

實現中斷回調函數：

運行

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {// 處理中斷事件}
}

六、GPIO 應用場景

控制簡單外設：
- 點亮 LED：配置為推挽輸出，輸出高低電平控制亮滅。
- 驅動繼電器：通過三極管放大 GPIO 輸出電流，控制繼電器通斷。
讀取數字傳感器：
- 按鍵檢測：配置為上拉 / 下拉輸入，檢測電平變化。
- 霍爾傳感器：檢測磁場變化（高 / 低電平）。
通信接口：
- 模擬 I2C/SPI：通過 GPIO 模擬時序，實現與外設通信。
- UART 調試：將 GPIO 復用為 USART 的 TX/RX 引腳。
中斷觸發：
- 外部事件響應：如按鍵按下觸發中斷，喚醒 MCU。
PWM 輸出：
- 將 GPIO 復用為定時器 PWM 輸出，控制電機轉速、LED 亮度等。