02-GPIO输出

GPIO 基本结构

PPT 参考图 -- GPIO简介与基本结构

graph TD
    subgraph APB2_BUS
        APB2["APB2 (72MHz)"]
    end
    
    subgraph GPIO_REG
        CRL["CRL (配置低8位)"]
        CRH["CRH (配置高8位)"]
        IDR["IDR (输入数据)"]
        ODR["ODR (输出数据)"]
        BSRR["BSRR (位设置/复位)"]
        BRR["BRR (位复位)"]
        LCKR["LCKR (锁定)"]
    end
    
    APB2 --> GPIO_REG
    GPIO_REG --> GPIO_PIN

GPIO 位结构

PPT 参考图 -- GPIO位结构

graph LR
    subgraph PIN_STRUCT
        PAD["I/O Pad"] --> D1["保护二极管\nVDD"]
        PAD --> D2["保护二极管\nVSS"]
        D1 --> PULL_UP["上拉电阻\n(~40kΩ)"]
        D1 --> PULL_DOWN["下拉电阻\n(~40kΩ)"]
        PAD --> SCHMITT["施密特触发器"]
        SCHMITT --> INPUT_REG["输入数据寄存器<br/>(IDR)"]
        
        OUTPUT_REG["输出数据寄存器<br/>(ODR)"] --> DRIVER["输出驱动器"]
        DRIVER --> MUX["复用功能输出"]
        MUX --> PAD
        
        OUTPUT_REG --> BIT_SET["位设置/复位<br/>(BSRR)"]
        BIT_SET --> DRIVER
    end

组件	作用
保护二极管	钳位电压，防止 VDD+0.3V / VSS-0.3V 烧毁 IO
上拉/下拉电阻	约 30kΩ~50kΩ，固定空闲电平
施密特触发器	整形，防抖动，有滞后特性（VT+ ≈ 0.4VDD, VT- ≈ 0.3VDD）
输出驱动器	推挽(Push-Pull) 或开漏(Open-Drain)
BSRR	原子操作，一次写同时设置和复位不同位

详细工作原理

推挽输出（Push-Pull）：输出驱动器由 PMOS（上管）和 NMOS（下管）组成。写入 ODR=1 时，PMOS 导通、NMOS 截止，引脚被拉至 VDD（高电平）；ODR=0 时，PMOS 截止、NMOS 导通，引脚被拉至 GND（低电平）。输出高低电平均为低阻驱动，无需外接电阻。

开漏输出（Open-Drain）：仅 NMOS 工作。ODR=0 时 NMOS 导通，引脚输出 GND（低电平）；ODR=1 时 NMOS 截止，引脚呈现高阻态（Hi-Z），此时必须依靠外部上拉电阻将电平拉高至 VDD。因此开漏输出无法自身输出高电平，外部上拉电阻的阻值影响上升沿时间和总线功耗。

BSRR 原子操作：BSRR 寄存器分为低 16 位（BSx，置位）和高 16 位（BRx，复位）。一次写入可同时控制多路引脚：BSRR = (1 << pin_to_set) | (1 << (pin_to_reset + 16))。硬件在单个 APB2 时钟周期内完成所有操作，无需软件执行"读-改-写"序列，因此在多中断环境中不会出现竞态条件。

输出速度：配置 GPIO_Speed_2MHz/10MHz/50MHz 实际控制输出驱动器的压摆率（Slew Rate）。速度设置越高，输出波形的上升/下降沿越陡峭，信号完整性越好，但 EMI 辐射和功耗也越大。对于低频 GPIO（如 LED 控制），使用 GPIO_Speed_2MHz 即可，过高速度会引入不必要的噪声。

8种 GPIO 模式

PPT 参考图 -- GPIO模式

模式	GPIO_Mode	结构特点	典型用途
模拟输入	`GPIO_Mode_AIN`	关闭施密特触发器，不接上/下拉	ADC 采样输入
浮空输入	`GPIO_Mode_IN_FLOATING`	施密特触发，无上下拉	外部信号按键(需外部上拉)
上拉输入	`GPIO_Mode_IPU`	施密特触发 + 上拉电阻	按键(GND导通)
下拉输入	`GPIO_Mode_IPD`	施密特触发 + 下拉电阻	按键(VCC导通)
推挽输出	`GPIO_Mode_Out_PP`	PMOS+NMOS, 高低电平	LED, 蜂鸣器, 总线控制
开漏输出	`GPIO_Mode_Out_OD`	仅NMOS, 低=GND, 高=高阻	I2C SDA/SCL, 电平转换
复用推挽	`GPIO_Mode_AF_PP`	外设驱动推挽输出	USART TX, SPI SCK/MOSI
复用开漏	`GPIO_Mode_AF_OD`	外设驱动开漏输出	I2C(STM32做主控)

输出速度

速度宏	频率	适用场景
`GPIO_Speed_2MHz`	2MHz	低频，EMI 最小的通用 IO
`GPIO_Speed_10MHz`	10MHz	常规通信
`GPIO_Speed_50MHz`	50MHz	SPI/高速 PWM

EMI 随速度增大而增大，不用高频时用 GPIO_Speed_2MHz 即可。

API 表格

RCC 时钟使能

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

GPIO 初始化

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

GPIO_InitTypeDef 成员	取值	说明
`GPIO_Pin`	`GPIO_Pin_0` ~ `GPIO_Pin_15`	引脚号，支持 OR 组合
`GPIO_Speed`	`GPIO_Speed_2MHz` / `10MHz` / `50MHz`	输出速率
`GPIO_Mode`	见上方 8 种模式	IO 工作模式

输出控制函数

函数	原型	说明
`GPIO_SetBits`	`GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)`	指定引脚输出高
`GPIO_ResetBits`	`GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)`	指定引脚输出低
`GPIO_WriteBit`	`GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal)`	按 BitVal 输出
`GPIO_Write`	`GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal)`	写整个 ODR
`GPIO_SetBits`	用 BSRR 实现，原子操作	推荐使用

完整代码示例

PPT 参考图 -- LED、蜂鸣器与硬件电路

LED 流水灯 (PC13~PC10)

#include "stm32f10x.h"
#include "Delay.h"

int main(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 开启 GPIOC 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
    
    // PC13 - PC10 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
    
    // 初始全部熄灭 (板载 LED 低电平亮)
    GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_10);
    
    Delay_Init();
    
    while (1)
    {
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);     // PC13 亮
        Delay_ms(500);
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_12);     // PC12 亮
        Delay_ms(500);
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_12);
        
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_11);     // PC11 亮
        Delay_ms(500);
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_11);
        
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_10);     // PC10 亮
        Delay_ms(500);
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_10);
    }
}

蜂鸣器驱动 (PC9)

电路连接：PC9 → NPN (S8050) Base → 集电极接蜂鸣器负极 → 蜂鸣器正极接 3.3V。

#include "stm32f10x.h"
#include "Delay.h"

int main(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_9);      // 关闭 (低电平截止)
    
    while (1)
    {
        // 有源蜂鸣器: 高电平导通发声
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_9);
        Delay_ms(500);
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_9);
        Delay_ms(500);
    }
}

常用板载 LED 引脚

开发板	LED 引脚	电平
STM32F103C8T6 蓝色板	PC13	低电平亮
STM32F103C8T6 红板（Mini）	PA1	高电平亮
STM32F103ZET6 正点原子	PD2 (DS0) / PG15 (DS1)	低电平亮
STM32F103VET6 野火	PB5	低电平亮

常见坑点/注意事项

外设时钟必须先开启 — 不开启时钟读写寄存器会 HardFault
GPIO 速度与 EMI — 不需要高速时用 GPIO_Speed_2MHz，过高速度引入 EMI 且增加功耗
开漏输出高阻 — Out_OD 输出高电平必须加外部上拉电阻，否则读不到高电平
BSRR vs ODR — 多线程/中断中修改位用 BSRR 是原子操作，ODR 非原子（读-改-写）
GPIO_SetBits 底层用 BSRR — 比 GPIO_WriteBit（用 ODR）更安全
IO 初始化时默认电平 — 推挽输出初始化后 ODR 复位值 0x0000，引脚默认低电平
PC13 特殊 — 部分型号 PC13 驱动能力弱，LED 亮度可能不如其他引脚
BSRR 写入高位 Hi 复位，低位 Lo 置位 — BSRR[31:16]=BRx 复位, BSRR[15:0]=BSx 置位

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