STM32 基于HAL库和STM32cubeIDE的应用教程（二）--GPIO的使用

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在 STM32 中，GPIO（通用输入输出）是与外部硬件接口进行交互的主要方式之一。STM32 HAL 库提供了简洁的接口来配置和控制 GPIO 引脚。下面是使用 STM32 HAL 库进行 GPIO 操作的详细教程。

1. 环境准备

确保您已经按照以下步骤准备好开发环境：

STM32CubeIDE 已安装。
创建了 STM32 项目，配置了目标 STM32 微控制器或开发板。

2. 配置 GPIO 外设

在 STM32CubeIDE 中，我们通过 STM32CubeMX 来配置 GPIO 引脚。

步骤：

打开 STM32CubeIDE，选择新建一个 STM32 项目。
在 Pinout & Configuration 页面，选择您要使用的 GPIO 引脚。例如，选择 GPIOA 上的引脚如 PA5（通常用作 LED 灯），并设置为 GPIO_Output，或 GPIOA 上的引脚如 PA0 设置为 GPIO_Input。
在 Configuration 选项卡中，设置引脚的模式、输出类型等。
- 对于输出引脚，选择 Push-Pull，并设置速率。
- 对于输入引脚，选择 Pull-up 或 Pull-down，以决定输入信号的默认状态。
在 Project 设置中，选择项目名称和代码生成选项（选择 STM32CubeIDE 为 IDE，选择 HAL 库作为中间件）。
点击 Generate Code，STM32CubeMX 会生成初始化代码。

3. HAL 库的 GPIO 操作

生成代码后，您可以开始在 main.c 文件中编写应用程序，利用 STM32 HAL 库操作 GPIO 引脚。

GPIO 输入输出操作

1.初始化 GPIO

STM32CubeMX 会自动生成用于初始化 GPIO 的代码，您只需调用 HAL_GPIO_Init() 函数。例如，在 main.c 中可以看到类似这样的初始化代码，我以注释的方式，解释了代码。

// main.c
#include "main.h"

int main(void)
{
    HAL_Init();  // 初始化 HAL 库
    SystemClock_Config();  // 配置系统时钟
    MX_GPIO_Init();  // 初始化 GPIO

    while (1)
    {
        // 在主循环中进行其他任务
    }
}

void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 启用 GPIOA 时钟

    // 配置 PA5 为输出
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;  // 无上下拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;  // 设置输出速度
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  // 初始化 GPIOA5

    // 配置 PA0 为输入
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;  // 上升沿中断模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;  // 无上下拉
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  // 初始化 GPIOA0
}

GPIO 输出操作

要设置 GPIO 引脚的输出状态（高电平或低电平），您可以使用 HAL_GPIO_WritePin() 函数。例如：

// 设置 PA5 为高电平（点亮 LED）
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);  // 高电平

// 设置 PA5 为低电平（熄灭 LED）
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);  // 低电平

GPIO 输入操作

要读取 GPIO 引脚的输入状态，可以使用 HAL_GPIO_ReadPin() 函数。例如，读取 PA0 的状态：

GPIO_PinState pinState = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);

if (pinState == GPIO_PIN_SET) {
    // 引脚 PA0 为高电平
} else {
    // 引脚 PA0 为低电平
}

GPIO 中断操作

STM32 HAL 库还支持 GPIO 中断。通过 STM32CubeMX 配置中断模式，例如将 PA0 设置为上升沿触发的中断。下面介绍中断的概念。

额外（中断是什么?）

中断（Interrupt）是微控制器（单片机）处理外部事件或任务的一种机制。它允许微控制器在执行程序的过程中，能够中断当前的工作，立即响应外部事件，然后在处理完事件后恢复到原来的工作状态。中断是实时操作系统（RTOS）和高效嵌入式系统设计中常用的一种技术。

中断的工作原理

当一个中断发生时，微控制器会：

暂停当前程序：当前正在执行的代码（包括主程序或其他中断服务程序）会被暂停。微控制器保存当前的执行状态（程序计数器、寄存器值等）。
跳转到中断处理函数（ISR）：程序计数器会被修改，跳转到对应的中断服务程序地址。该中断服务程序通常是用户编写的代码，用来处理特定的中断事件。
处理中断：在中断服务程序中，微控制器执行相应的代码以响应中断，比如读取传感器数据、处理外部设备的请求等。
恢复执行：中断处理完毕后，微控制器恢复执行原来的程序，继续之前被暂停的操作。

回归正题，将 PA0 设置为上升沿触发的中断

在代码中，您需要启用和配置外部中断：

// 在 MX_GPIO_Init 函数中启用中断
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_1_IRQn, 0, 0);  // 设置中断优先级
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_1_IRQn);  // 启用 EXTI0_1 中断

中断服务程序（ISR）通常放在 stm32f1xx_it.c 中：

// 中断回调函数
void EXTI0_1_IRQHandler(void)
{
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);  // 处理外部中断
}

// 回调函数，当发生中断时调用
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {
        // 对 PA0 引脚的中断进行处理
    }
}

4. 使用外设和其他功能

配置和使用多个 GPIO 引脚：通过 STM32CubeMX 配置多个 GPIO 引脚进行输入、输出或中断操作。
控制 LED：在 main.c 中使用 HAL_GPIO_WritePin() 控制连接到开发板的 LED。
配置按键：配置外部按键，并在中断或轮询模式下读取按键状态。

5. 示例代码：点亮 LED

下面是一个完整的示例，展示如何通过 GPIO 控制 LED：

#include "main.h"

// 主函数
int main(void)
{
    HAL_Init();  // 初始化 HAL 库
    SystemClock_Config();  // 配置系统时钟
    MX_GPIO_Init();  // 初始化 GPIO

    while (1)
    {
        // 点亮 LED
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(500);  // 延时 500ms

        // 熄灭 LED
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(500);  // 延时 500ms
    }
}

// GPIO 初始化函数
void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 启用 GPIOA 时钟

    // 配置 PA5 为输出（LED）
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;  // 无上下拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;  // 设置输出速度
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  // 初始化 GPIOA5
}

6. 小结

GPIO 初始化：通过 STM32CubeMX 配置引脚，并使用 HAL 库函数进行初始化。
输入输出操作：使用 HAL_GPIO_WritePin() 控制输出，使用 HAL_GPIO_ReadPin() 读取输入。
中断处理：通过 STM32CubeMX 配置中断，并在中断回调函数中处理外部中断。