GPIO（通用輸入/輸出口）是微控制器上可以由用戶自定義控制的引腳

一，GPIO模式簡介

1，輸入模式

將引腳配置為輸入模式，用于讀取外部信號。
適用場景：讀取按鈕狀態、傳感器信號等

2，輸出模式

將引腳配置為輸出模式，用于驅動外部設備或信號。
適用場景：LED控制、電機驅動等

3，模擬模式

將引腳配置為模擬模式，用于模擬信號輸入或輸出。
適用場景：ADC讀取、DAC輸出等

4，復用模式

將引腳配置給某個外設的使用，如UART、SPI或I2C等。
適用場景：通信接口、定時器輸出等

二，輸出模式詳解

1， 輸出類型

共有兩種輸出類型：推挽輸出模式和開漏輸出模式，先講一下電路原理

1，推挽輸出：

下圖是STM32引腳電路原理圖，右邊兩個二極管只起 保護作用，暫時省略


我們通過HAL庫的API接口函數對寄存器寫入0/1，從而控制P-MOS和N-MOS的截止，達到輸出高低電平的目的：
當P-MOS導通，N-MOS截止時，N-MOS處是斷路，上面VDD和P-MOS處是短路，測出引腳電壓為VDD（將電流推出去）

（其實VDD和P-MOS有阻抗，但是直接測引腳電壓就相當于測的是內阻的電壓，沒有其他電阻分壓測出來就是VDD）

如果此時在引腳處接一個LED，LED會被點亮

當P-MOS截止，N-MOS導通時，P-MOS處是斷路，上面N-MOS處是短路，此時引腳輸出低電平（將電流挽進來）

2，開漏輸出

開漏輸出可以輸出低電平和高阻態，開漏輸出時P-MOS永遠截止，輸出哪個狀態取決于N-MOS的截止和導通（為什么叫開漏？N-MOS管的漏極的開與關決定了開漏模式的輸出）

當N-MOS導通時，開漏輸出與推挽輸出一致，輸出低電平

而當N-MOS截止時，輸出的是高阻態，為什么輸出的是高阻態？
了解高阻態的定義：引腳與電源和地之間呈現高電阻狀態，即高阻態。此時輸出引腳不對外提供確定電平信號，其電平由外部電路決定。

那高阻態有什么作用呢？
作用1：改變芯片輸出的電平。如下圖，STM32引腳輸出3.3V，但我想讓其輸出5V，可以在引腳外接一個上拉電阻¹（假設為10K），根據分壓原理，N-MOS阻值無窮大，綠點處是5V

作用2：利用高阻態的線與特性

線與：即只有當所有連接在一起的輸出端口都輸出高電平時，總的輸出才為高電平；只要有一個輸出端口為低電平，總的輸出就是低電平 。
線或：只要連接的輸出端口中有一個輸出高電平，總的輸出就為高電平；只有當所有輸出端口都為低電平時，總的輸出才是低電平 。

如下圖，兩個芯片外接一個上拉電阻，只有當兩個引腳同時為高阻態時，才能輸出高電平，有一個引腳輸出低電平就輸出低電平

若 GPIO 配置為開漏輸出模式，默認就是高阻態狀。開漏輸出下，N-MOS 管用于控制輸出，無外部上拉電阻時，N-MOS 管截止就會呈現高阻態 。 此外，當復用功能輸出信號未有效驅動、相關寄存器配置錯誤，或芯片處于特定低功耗模式影響 GPIO 驅動電路時，也可能使輸出進入高阻態。

1. 推挽輸出模式 (Push-Pull)
   功能：可以驅動高電平（邏輯1）和低電平（邏輯0）
   工作原理：有兩個晶體管配置，一個用于拉高電平，一個用于拉低電平
   優點：驅動能力強，適用于大多數數字輸出應用
   缺點：高頻切換時可能導致較大功耗和信號干擾
   應用示例：LED控制、開關控制、信號輸出

2. 開漏輸出模式 (Open-Drain)
   功能：只能拉低電平（邏輯0），高電平由外部上拉電阻提供
   工作原理：只有一個下拉晶體管，高電平依賴外部上拉電阻
   優點：支持多路信號線"線與"邏輯，適合共享總線
   缺點：無法直接驅動高電平，需要外部電阻
   應用示例：I2C總線、外部信號線共享

3. 推挽輸出 vs 開漏輸出

特性	推挽輸出	開漏輸出
高電平驅動	? 內部提供	? 需要外部上拉
低電平驅動	? 內部提供	? 內部提供
多設備共享總線如iic總線	? 不適合	? 適合
電流驅動能力	? 較強	? 取決于上拉電阻
LED控制適用性	? 非常適合	? 需要外部上拉

相對于51單片機只有輸出0和1兩種情況，STM32輸出變復雜有什么好處？

2，輸出速度

先來解釋一下什么是輸出驅動電路帶寬和不失真信號：

輸出驅動電路帶寬：指輸出驅動電路能夠不失真地傳輸信號的頻率范圍，單位通常是赫茲（Hz） 即范圍。也就是說，帶寬越大，電路能夠承受的信號頻率越大，能傳輸的信號頻率越高，信號的變化速度就可以越快。

不失真信號：信號傳輸時，不發生變化的信號。
舉個例子：cpu執行程序先輸出高電平，在輸出低電平，最后輸出高電平，如果信號變化很快，超出了IO的帶寬，IO在輸出高低高時，可能會發生：先輸出高，本該變成低時沒有反應過來，此時CPU又讓IO輸出高，整體來看，IO是一直輸出高電平，發生了信號失真

GPIO 輸出驅動電路主要由晶體管（通常是 MOS 管）構成，通過控制這些晶體管的導通和截止來實現信號的輸出

那么STM32是如何控制輸出高速信號和低速信號的呢？
有一個思路是更改高速晶體管和低速晶體管，但實際上是：改變晶體管導通和截止的速度。

1. 低速 (Low Speed) 對應2-10MHz
   特性：輸出驅動電路帶寬低，能通過的不失真信號最大頻率低 。信號電平轉換相對慢，功耗小、噪聲低，產生的電磁干擾（EMI）²也較小
   適用場景：按鍵、LED控制等低頻應用

2. 中速 (Medium Speed) 對應10-50MHz
   特性：輸出驅動電路帶寬適中，信號電平轉換速度適中。
   適用場景：一般通信接口、顯示驅動等

3. 高速 (High Speed) 對應50-100MHz
   特性：輸出驅動電路帶寬高，能通過高頻信號，信號電平轉換速度快。
   適用場景：高速總線、快速數據傳輸等

4. 超高速 (Very High Speed) 對應100MHz+
   特性：輸出驅動電路帶寬更高，信號電平轉換迅速。
   適用場景：高速存儲器接口、高速數據采集等

注意
更高的速度會導致:
更多的功耗
更大的電磁干擾(EMI)
更快的信號上升和下降時間
對于LED控制這類應用，通常選擇低速即可，這能降低功耗并減少EMI。
因此，在實際應用中，需要根據具體的需求來合理選擇 GPIO 的輸出速度，在速度、功耗和 EMI 之間找到一個平衡點。

三，GPIO配置選項

再用STM32CubeMX配置GPIO引腳時，需要對下圖紅框的配置選項進行配置，下面我將將所有的配置選擇都介紹一下

1. GPIO Mode (GPIO模式)
   決定引腳的基本工作方式，是STM32CubeMX中最基礎的配置項。

Input Mode (輸入模式)	Output Mode (輸出模式)	Analog Mode (模擬模式)	Alternate Function (復用功能)
配置引腳為輸入，用于讀取外部信號	配置引腳為輸出，用于控制外部設備	配置引腳為模擬模式，用于ADC/DAC	連接內部外設如UART/SPI/I2C等

配置提示： 對于LED控制，通常選擇Output Mode。如果需要通過PWM控制LED亮度，則選擇Alternate Function并連接到定時器。

2. GPIO Output Type (輸出類型)
   當GPIO配置為輸出模式時，可以選擇不同的輸出類型。

Push-Pull (推挽輸出)	Open-Drain (開漏輸出)
可以主動輸出高電平和低電平，驅動能力強。	只能主動輸出低電平，高電平需要外部上拉電阻。
高電平：主動拉高 低電平：主動拉低	高電平：依靠外部上拉 低電平：主動拉低
LED控制 數字信號輸出	I2C總線 多設備共享總線

配置提示： 對于一般的LED控制，選擇Push-Pull輸出類型。對于需要共享總線的場景（如I2C），選擇Open-Drain輸出類型。

3. GPIO Speed (輸出速度)
   決定GPIO引腳狀態切換的速率和驅動能力。更高的速度設置意味著更快的電平切換速率和更強的電流驅動能力。

速度設置	最大頻率	適用場景
Low (低速)	~2MHz	低功耗應用、LED指示燈
Medium (中速)	~10MHz	一般數字接口、按鍵控制
High (高速)	~50MHz	SPI通信、快速信號處理
Very High (超高速)	~100MHz+	高速通信接口、時鐘信號

配置提示： 對于普通LED控制，選擇Low速度即可。更高的速度會增加功耗和電磁干擾，除非應用需要，否則不要選擇過高的速度設置。

4. GPIO Pull-up/Pull-down (內部的上拉/下拉電阻)
   決定GPIO引腳在未被驅動時的默認狀態。

No Pull-up/Pull-down	Pull-up (上拉)	Pull-down (下拉)
不啟用內部上拉/下拉電阻，引腳浮空。	啟用內部上拉電阻，引腳默認為高電平。	啟用內部下拉電阻，引腳默認為低電平。
模擬輸入 外部已有定義電平	按鍵檢測 I2C總線	上拉型開關檢測 默認低電平信號

5. GPIO Label (引腳標簽)
   為GPIO引腳指定一個有意義的名稱，方便在代碼中引用。
   命名規范：
   使用有描述性的名稱，如 LED_GREEN、BUTTON_USER
   避免使用特殊字符，使用下劃線分隔單詞
   保持命名一致性，便于代碼維護
   命名示例：

功能	推薦標簽名
LED指示燈	LED_RED, LED_GREEN, LED1, LED2
按鍵輸入	BUTTON_USER, KEY1, KEY2
傳感器控制	SENSOR_ENABLE, TEMP_ALERT

配置提示： 合理命名GPIO引腳可以大大提高代碼的可讀性和可維護性。CubeMX會根據標簽名自動生成相應的宏定義，方便在代碼中使用。

6. GPIO Signal (引腳信號)

STM32的每個GPIO引腳通常可以復用為多個不同的外設信號。例如，一個引腳可能既可以作為USART1的TX，也可以作為TIM2的通道3，還可以作為SPI3的MOSI。那么如何在CubeMX中實現GPIO引腳復用呢？

首先將GPIO配置為復用功能(Alternate Function)模式，“Signal” 選項用于指定該引腳連接到STM32內部的哪個外設的哪個具體信號。
然后通過在CubeMX的"Signal"下拉列表中選擇，或者直接在代碼中配置GPIO的 Alternate 字段（使用HAL庫時），可以決定該引腳當前連接到哪個外設信號。
最后提供一些常見的復用功能信號類型：
TIM1_CH1 (定時器通道)
USART1_TX (串口發送)
USART1_RX (串口接收)
SPI1_SCK (SPI時鐘)
SPI1_MISO (SPI主入從出)
SPI1_MOSI (SPI主出從入)
I2C1_SCL (I2C時鐘線)
I2C1_SDA (I2C數據線)
ADC1_IN0 (ADC輸入通道)
DAC1_OUT1 (DAC輸出通道)
TIMx_CHx (定時器通道)
TIMx_ETR (外部觸發)
TIMx_BKIN (剎車輸入)
USARTx_TX (串口發送)
USARTx_RX (串口接收)
USARTx_CK (同步時鐘)
USARTx_CTS (流控)
USARTx_RTS (流控)
I2Cx_SCL (I2C時鐘)
I2Cx_SDA (I2C數據)
SPIx_SCK (SPI時鐘)
SPIx_MISO (主入從出)
SPIx_MOSI (主出從入)
SPIx_NSS (片選)
I2Sx_CK (I2S時鐘)
I2Sx_WS (字選)
I2Sx_SD (串行數據)
CANx_TX (CAN發送)
CANx_RX (CAN接收)
USB_OTG_FS/HS_…
ETH_… (以太網)
SDMMCx_… (SD卡)
QUADSPI_… (QSPI)
SYS_… (系統功能, 如SWD, JTAG)
RCC_… (時鐘輸出, 如MCO)
EVENTOUT (事件輸出)

LED控制相關的信號類型：
TIMx_CHx - 定時器PWM輸出通道，用于控制LED亮度
GPIO_Output - 普通GPIO輸出，用于簡單的LED開關控制

配置示例：通過PWM實現LED亮度控制或呼吸燈效果：
將目標GPIO引腳的模式設置為 Alternate Function Push-Pull (通常推挽輸出效果更好)。
在 “Signal” 下拉列表中，選擇一個可用的 TIMx_CHx (定時器通道) 信號。
轉到對應的 TIMx 外設配置界面。
配置定時器的時鐘源和預分頻器(Prescaler)、自動重載寄存器(ARR)以設定PWM頻率。
啟用所選的 Channel x，并將其模式設置為 PWM Generation CHx。
配置比較寄存器(CCR / Pulse)的值來控制PWM占空比，從而控制LED亮度。
重要提示：務必查閱STM32芯片的數據手冊（查找 “Alternate function mapping” 相關表格），確認所選引腳支持你想要連接的定時器通道。并非所有引腳都支持所有定時器的所有通道。

四，STM32 HAL庫GPIO配置

STM32 HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層）庫提供了一套完整的API來配置和控制GPIO引腳。相比直接操作寄存器，HAL庫更易用且可移植性更好。

1，GPIO初始化結構體

HAL庫使用GPIO_InitTypeDef結構體來配置GPIO引腳：

Pin: 要配置的引腳，如GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_1等
Mode: 引腳模式，如GPIO_MODE_OUTPUT_PP（推挽輸出）
Pull: 上拉/下拉設置，如GPIO_NOPULL, GPIO_PULLUP等
Speed: 輸出速度，如GPIO_SPEED_FREQ_LOW
Alternate: 復用功能選擇（僅在復用模式下使用）

2，引腳復用機制

STM32微控制器的GPIO引腳可以分配給不同的外設功能，這稱為引腳復用（Alternate Function）：

每個引腳可以有多達16個不同的復用功能（AF0-AF15）
例如，同一個引腳可以配置為UART發送、SPI時鐘或I2C數據線
復用功能在芯片手冊中有詳細說明，不同系列和型號的STM32有所不同
使用GPIO_MODE_AF_PP或GPIO_MODE_AF_OD模式并設置相應的AF值

3，GPIO時鐘使能

在STM32中，使用任何外設前都必須使能其時鐘：

使用__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()宏來使能GPIO端口時鐘
這一步驟在配置GPIO前必須完成，否則配置無效
不同的GPIO端口（GPIOA, GPIOB等）需要單獨使能

4，GPIO操作函數

HAL庫提供了多種操作GPIO的函數：

HAL_GPIO_WritePin(): 設置引腳輸出高/低電平
HAL_GPIO_ReadPin(): 讀取引腳輸入狀態
HAL_GPIO_TogglePin(): 翻轉引腳狀態
HAL_GPIO_LockPin(): 鎖定引腳配置
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(): 中斷處理
這些函數屏蔽了底層寄存器操作的復雜性，使得代碼更清晰易讀。

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1. 什么是上拉電阻？什么是下拉電阻
   一，上拉電阻和下拉電阻的概念
   下圖中，單片機引腳輸出5V高電平，什么都不接的情況下，測試為5V
   但接了一個下拉電阻后，輸出3.8V：原因是單片機內部P-MOS含有阻抗，對5V進行了分壓
   在此基礎上，再接一個上拉電阻，輸出變成了4.2V：原因是外部電阻和P-MOS的阻抗并聯，總阻抗減小，輸出有升高了0.4V
   
   二，上拉電阻的作用：將高阻態鉗位在高電平
   開漏輸出高阻態時，單片機內部兩個MOS截止，阻抗無窮大，此時在外部接一個上拉電阻（10K)，它與P-MOS并聯后總阻值約為10K，和N-MOS相比幾乎不分電壓，最終輸出5V
   ??

2. 電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）
   電磁兼容性（EMC）
   定義：設備或系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中其他設備產生難以承受的電磁干擾的能力 。
   原理：通過合理的電路設計（如濾波、屏蔽 ）、接地處理等措施，減少自身產生的電磁干擾，同時增強對外部電磁干擾的抵抗能力。
   作用：保證多個電子設備在同一環境中能互不干擾、穩定運行，提高整個系統的可靠性。
   電磁干擾（EMI）
   定義：由電磁場引起的對電子設備、電氣設備或電磁設備的有害影響 。可分為傳導干擾（通過導電介質傳播 ）和輻射干擾（通過空間以電磁波形式傳播 ）。
   原理：電子設備工作時，內部的電流變化、信號傳輸等會產生電磁波，若不加以抑制，就會干擾其他設備。
   作用：會造成信號失真、設備誤動作等問題，影響設備正常工作，所以在電子產品設計中要采取措施抑制 EMI。 ??