02 GPIO 输出 —— 点灯（HAL）

目标：控制 PC13（板载 LED）以 500ms 间隔闪烁

IO 端口内部结构

                      VDD
                       │
                 ┌─────┤
                 │P-MOS│    P-MOS 导通 = 引脚输出高电平
                 │     │
    输出数据 ←──┐┴──  │
                 │     │
                 │N-MOS│    N-MOS 导通 = 引脚输出低电平
                 │     │
                 └─┬───┤
                   │    │
                    └────┘
                       │
                     GND

详细工作原理

GPIO 端口位结构

STM32 GPIO 的每个引脚内部由以下模块构成：

保护二极管：VDD 与引脚之间接一个上钳位二极管，引脚与 GND 之间接一个下钳位二极管。当外部电压超过 VDD + 0.5V 或低于 GND - 0.5V 时，二极管导通将电压钳位在安全范围，防止内部 CMOS 电路损坏。
输出驱动级：由一对互补的 P-MOS（上管）和 N-MOS（下管）组成，通过控制两管的栅极实现推挽或开漏输出。
输出数据寄存器（ODR）：32 位寄存器，每位对应一个 GPIO 引脚。写 ODR 控制输出电平，但读 ODR 返回的是上次写入的值而非引脚实际电平。
位设置/复位寄存器（BSRR）：32 位寄存器，低 16 位写 1 置位（对应 ODR 位写 1），高 16 位写 1 复位（对应 ODR 位写 0）。BSRR 写入是原子操作，无需关中断，而读-改-写 ODR 可能被中断打断产生毛刺。
输出速度控制：通过输出驱动器的电流限幅和 slew rate 控制逻辑，限制输出波形的上升/下降时间。

推挽输出（Push-Pull）工作原理

写 1：P-MOS 导通，N-MOS 关断，引脚直接连接到 VDD（3.3V），输出高电平。
写 0：P-MOS 关断，N-MOS 导通，引脚直接连接到 GND（0V），输出低电平。
双 MOS 交替工作，输出阻抗低，驱动能力强。适合驱动 LED、普通数字逻辑输入。

开漏输出（Open-Drain）工作原理

写 1：P-MOS 始终关断，N-MOS 关断，引脚呈高阻态（Hi-Z），电平由外部上拉电阻决定。
写 0：N-MOS 导通，引脚接到 GND，输出低电平。
开漏输出用于线或（Wired-AND） 总线结构，如 I2C 的 SDA/SCL 线，多个器件可共享一根线；也用于驱动比 VDD 更高电压的负载（输出高电平时由外部上拉拉到目标电压）。

输出电流能力

STM32F103 GPIO 的直流输出特性：

I_OH(max)（源电流，高电平输出）：约 25mA（单引脚），全芯片总和不超过 150mA。
I_OL(max)（灌电流，低电平输出）：约 25mA（单引脚）。
实际使用时建议单引脚不超过 20mA，直接驱动 LED 需串限流电阻：R = (VDD - V_F) / I_LED。

输出速度与压摆率

GPIO 的三档输出速度对应不同的驱动级压摆率（slew rate）：

档位	上升/下降时间	对应源端阻抗	适用频率上限
2MHz（Low）	~125ns	~40Ω	≤ 2MHz
10MHz（Medium）	~25ns	~20Ω	≤ 10MHz
50MHz（High）	~5ns	~10Ω	≤ 50MHz

上升/下降时间由 IO 驱动器的输出晶体管的尺寸和偏置电流决定，档位越高驱动级提供的瞬态电流越大，边沿越陡。
边沿越陡，信号中的高频谐波分量越多，EMI 辐射越强。对于 LED 等低速信号默认选 Low（2MHz）即可。

在推挽输出 (Push-Pull) 模式下，P-MOS 和 N-MOS 交替导通：

写 1 → P-MOS 导通 → 引脚接 VDD (3.3V)
写 0 → N-MOS 导通 → 引脚接 GND (0V)

在开漏输出 (Open-Drain) 模式下，P-MOS 被断开：

写 1 → 高阻态（引脚既不高也不低，需要外部上拉电阻拉到 VDD）
写 0 → N-MOS 导通 → 引脚接 GND

板载 LED 通常接 PC13，低电平点亮：GPIO_PIN_RESET(0) = 亮, GPIO_PIN_SET(1) = 灭

GPIO 8 种工作模式速查

STM32 的 GPIO 有 8 种模式，分为 4 种输入 + 2 种输出 + 2 种复用：

模式	宏定义	用途
模拟输入	`GPIO_MODE_ANALOG`	ADC 输入
浮空输入	`GPIO_MODE_IN_FLOATING`	外部有上下拉时用
上拉输入	`GPIO_MODE_IPU`	按键（松开高电平）
下拉输入	`GPIO_MODE_IPD`	按键（松开低电平）
推挽输出	`GPIO_MODE_OUTPUT_PP`	普通 LED、普通 IO
开漏输出	`GPIO_MODE_OUTPUT_OD`	I2C SDA/SCL
复用推挽	`GPIO_MODE_AF_PP`	USART TX、SPI SCK/MOSI
复用开漏	`GPIO_MODE_AF_OD`	I2C 的复用模式

CubeMX 配置

Pinout → 选中 PC13 → 设为 GPIO_Output
参数设置：
- GPIO output level：Low（初始状态熄灭，改为 High 就是初始点亮）
- GPIO mode：Output Push-Pull
- Pull-up/Pull-down：No pull（或 Pull-up）
- Maximum output speed：Low（LED 用低速即可）

关键 HAL API

函数	说明
`HAL_GPIO_WritePin(GPIOx, GPIO_PIN_x, PinState)`	设置引脚为高/低电平
`HAL_GPIO_TogglePin(GPIOx, GPIO_PIN_x)`	翻转引脚电平
`HAL_Delay(uint32_t Delay)`	毫秒级阻塞延时（依赖 SysTick 中断）

PinState：

GPIO_PIN_SET = 高电平 (1)
GPIO_PIN_RESET = 低电平 (0)

完整代码

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();

    while (1)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // 点亮
        HAL_Delay(500);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);    // 熄灭
        HAL_Delay(500);
    }
}

或用 Toggle 简化：

while (1)
{
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    HAL_Delay(500);
}

GPIO 输出速度的选择

GPIO 有 3 档输出速度，需要正确匹配应用场景：

速度档位	上升/下降时间	适用场景	理由
Low (2MHz)	~125ns	LED、按键、普通 GPIO	最慢 = EMI 最小，省电
Medium (10MHz)	~25ns	几 MHz 以下的 SPI/I2C	中等频率够用
High (50MHz)	~5ns	高速 SPI、SDIO、FSMC	速度优先，EMI 较大

输出速度指 IO 驱动电路的响应速度，不是信号频率上限。选过高速度会增加功耗和 EMI 辐射。能用 Low 就选 Low。

常见坑点

⚠️ 先查原理图确认 LED 极性：低电平点亮（RESET=亮）还是高电平点亮（SET=亮）？
⚠️ HAL_Init() 必须在 HAL_Delay() 之前调用，否则 SysTick 未初始化，延时无效
⚠️ GPIO 时钟在 MX_GPIO_Init() 中自动开启 (__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE())，不需要手动加
⚠️ 复用功能（如 USART 的 TX 引脚）必须选 AF_PP 或 AF_OD，不能是普通 Output

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