STM32＂零代码”编程GPIO总结
- 2026-01-23 05:58:02
STM32＂零代码”编程GPIO总结点亮一个LED 从点亮一个LED分析C语言程序的基本组成 STM32"零代码”实现LED流水灯 STM32"零代码”实现按键控制LED流水灯 STM32"零代码”实现按键控制LED流水灯（中断方式） 在单片机编程中，AI 大模型虽能高效生成具备基础可用性的代码框架，满足表层开发需求，但想要真正驾驭代码、实现优化调试与深度开发，开发者仍需深入理解并吃透单片机的硬件架构与底层工作原理，才能真正掌握代码运行逻辑，完成高质量的开发工作。 前文中，通过几个例子，简单实现了从单片机控制一个LED灯、到控制多个LED流水灯、再到使用按键（查询方式和中断方式）控制LED流水灯工作模式，逐步覆盖了单片机GPIO在日常使用中的一些基本功能。 今天借STM32F1这个系列单片机，就单片机GPIO内部结构做个简单总结。
STM32F1系列单片机每个GPI/O端口有 根据数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征， GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。 输入模式： 输出模式： 其他功能： 前边例程中，按键的使用即使用了其输入模式，输出控制LED即使用了输出模式。 另外的其他功能，涉及单片机内部其他功能，这里暂时不展开讲。 每个I/O端口位（例如PA02,PA代表一组端口，02代表其中的一位（一个引脚））可以自由编程，但I/0端口寄存器必须按32位字被访问(不允许半字或字节访问)。（意思是虽然可以每个引脚独立编程，设置其功能，但是修改的时候需要按照整个寄存器统一修改，如果要修改其中的某个引脚，可以先读取寄存器的值，然后将要修改的位修改后，再将修改后的值整体写入该寄存器） GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器的读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。
上图中④为芯片连接外部引脚部分。 ①为该引脚作为GPIO输入使用时的内部功能框图 ②为该引脚作为GPIO输出使用时的内部功能框图 ③为芯片内部功能其它外设功能，比如检测外部模拟量（电压）、与其它传感器通信、输出内容显示到液晶屏幕或者OLED屏上等等，需要使用到ADC、IIC、SPI、UART等，这些和GPIO一起，都属于单片机内部的功能模块，一般称作外设。 在后续的例子中，会逐步学习单片机的各种外设功能。 对GPIO进行输入和输出配置的初始化过程就是对功能框图中不同位置的“开关”进行打开和关闭的过程。 输出数据，即使用代码，将数据写入位设置/清除寄存器和输出数据寄存器的过程。 输入数据，就是从输入数据寄存器读出内容的过程。而输入数据寄存器会根据触发器输出内容及时更新，触发器的输入就来自外部引脚。
当配置为GPIO输入时，内部框图如下： 
当配置为输出时，内部框图如下： 
GPIO相关寄存器 
这里以端口配置低寄存器(GPIOx_CRL和GPIOx_CRH) 为例，其中的x代表A、B、C、D、E...这里的字母因芯片引脚多少而异，每一组端口都有该组寄存器，通过两个寄存器设置该组端口每个引脚的输入、输出功能。 其中GPIOx_CRL负责控制每组引脚的低8位，GPIOx_CRH负责控制每组引脚的高8位。 下图是GPIOx_CRL寄存器32个位的每一个位的功能。 
这里以[31:30] CNFy[1:0]为例（y代表引脚编号，从0~7），手册中有该两个引脚的参数说明： 
再举一个例子：端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR) 
0~15位，每一位对应一个引脚，比如PA0、PA12、PE3... 保留，代表未使用。 更具体的功能，大家可以阅读《STM32F1中文参考手册_V10》。 首先，HAL库什么？ HAL库中有关GPIO的操作函数： 回头再看前面的例程，比如，GPIO初始化函数： 也没有那么复杂吧...
点击文末“阅读原文”，可以直接打开代码仓库，代码仓库中有 合集中所有项目的源码，《STM32F1中文手册》、《cortex-M3权威指南》，也会随后上传到代码仓库中。
一、 STM32F1系列单片机GPIO功能描述
两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL， GPIOx_CRH) 两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR) 一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR) 一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR) 一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)
输入浮空 输入上拉 输入下拉
开漏输出 推挽式输出
模拟输入 推挽式复用功能 开漏复用功能
二、 STM32F1系列单片机GPIO结构框图
三、 GPIO相关的寄存器
四、 HAL库函数
STM32 HAL 库（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象层）是 ST 公司（意法半导体）为旗下 STM32 系列单片机开发的官方底层驱动库，而 HAL 库函数就是这个库中封装好的、供开发者调用的标准化函数。简单来说：用户不用再直接操作单片机底层的寄存器（比如写GPIOA->ODR |= (1<<5)来控制引脚）；只需调用 HAL 库提供的函数（比如HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET)），就能实现对 GPIO、定时器、串口等外设的控制；HAL 库相当于在 “底层寄存器” 和 “开发者代码” 之间搭了一座桥，屏蔽了不同 STM32 型号（如 F1、F4、H7）的硬件差异，让代码更通用、更易移植。HAL 库函数的核心特点高度抽象与标准化：无论你用 STM32F103 还是 STM32F407，控制 GPIO 输出的函数都是：HAL_GPIO_WritePin()，底层寄存器的差异由 HAL 库自己处理，你无需关注。易用性强（新手友好）：函数命名直观，比如：HAL_UART_Transmit()：串口发送数据；HAL_TIM_PWM_Start()：启动定时器 PWM 输出；HAL_ADC_GetValue()：读取 ADC 转换结果。：官方维护，稳定性高由 ST 公司持续更新，适配新的 STM32 芯片，且经过严格测试，比自己写寄存器代码更不容易出错。
HAL 库对 GPIO 的操作做了高度封装，所有 GPIO 相关函数都以HAL_GPIO_为前缀，核心可分为初始化 / 反初始化、输入输出操作、电平检测 / 翻转、中断相关四大类，下面逐一列出并说明用法：一、基础配置类（初始化 / 反初始化）这类函数用于配置 GPIO 的工作模式（输入 / 输出 / 中断等），是使用 GPIO 的第一步。1. HAL_GPIO_Init()功能：初始化指定 GPIO 端口和引脚的参数（模式、上下拉、速度等）原型：voidHAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);示例：配置 PA5 为推挽输出GPIO_InitTypeDef gpio_conf = {0};// 选择PA5引脚gpio_conf.Pin = GPIO_PIN_5;// 推挽输出模式gpio_conf.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;// 无上下拉gpio_conf.Pull = GPIO_NOPULL;// 低速gpio_conf.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;// 初始化GPIOAHAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_conf);2. HAL_GPIO_DeInit()功能：将指定 GPIO 引脚恢复为默认复位状态（禁用引脚功能）原型：voidHAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin);示例：复位 PA5 引脚HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_5);二、输出操作类（控制引脚电平）这类函数用于设置 GPIO 输出引脚的高 / 低电平，是最常用的 GPIO 操作。1. HAL_GPIO_WritePin()功能：直接设置指定引脚的电平（高 / 低）原型：voidHAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);参数说明：PinState：GPIO_PIN_SET（高电平）/GPIO_PIN_RESET（低电平）示例：// PA5输出高电平（点亮LED）HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);// PA5输出低电平（熄灭LED）HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);2. HAL_GPIO_TogglePin()功能：翻转指定引脚的电平（高变低、低变高），无需判断当前电平原型：voidHAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin);示例：PA5 电平翻转（LED 闪烁核心函数）HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);HAL_Delay(500); // 延时500ms，实现闪烁三、输入操作类（读取引脚电平）这类函数用于读取 GPIO 输入引脚的当前电平，常用于读取按键、传感器等输入信号。1. HAL_GPIO_ReadPin()功能：读取指定引脚的当前电平状态原型：GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin);返回值：GPIO_PIN_SET（高电平）/GPIO_PIN_RESET（低电平）示例：读取 PA0 按键状态（PA0 配置为上拉输入）if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET){// 按键按下（低电平），执行对应逻辑HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5); // 翻转LEDHAL_Delay(200); // 消抖延时}四、中断相关类（GPIO 中断配置 / 处理）这类函数用于配置和处理 GPIO 的外部中断（比如按键中断触发），属于进阶用法。1. HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()功能：GPIO 外部中断服务函数（中断发生时调用），用于清除中断标志位原型：voidHAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint32_t GPIO_Pin);示例：PA0 中断服务函数voidEXTI0_IRQHandler(void){// 处理PA0中断，清除中断标志HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);}2. HAL_GPIO_EXTI_Callback()功能：GPIO 中断回调函数（需用户重写），中断触发后执行具体逻辑原型：voidHAL_GPIO_EXTI_Callback(uint32_t GPIO_Pin);示例：重写回调函数，按键中断翻转 LEDvoid HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint32_t GPIO_Pin){if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_0){// PA0中断触发，翻转PA5电平HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);}}补充说明引脚宏定义：可以同时操作多个引脚，比如GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1（同时控制 PA0 和 PA1）；端口范围：GPIOx支持GPIOA/GPIOB/GPIOC等（取决于具体 STM32 型号）；依赖：使用所有 GPIO 函数前，需先通过__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()开启对应 GPIO 端口的时钟（STM32CubeMX 生成代码时会自动添加）。总结HAL 库 GPIO 函数核心分为 4 类：初始化（HAL_GPIO_Init）、输出控制（WritePin/TogglePin）、输入读取（ReadPin）、中断处理（EXTI_IRQHandler/Callback）；最常用的是HAL_GPIO_WritePin（写电平）和HAL_GPIO_ReadPin（读电平），新手优先掌握这两个；HAL_GPIO_TogglePin是实现电平翻转的便捷函数，无需手动判断当前电平状态，适合做 LED 闪烁等场景。
static void MX_GPIO_Init(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};/* 使能GPIOA时钟 */__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();/* 配置LED引脚：PA0~PA9 推挽输出、上拉、高速 */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3| GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7| GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);/* 配置按键引脚：PA10 上拉输入 */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; // 输入模式GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 内部上拉（按键按下为低）HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);/* 初始化时熄灭所有LED */LED_All_Off();}
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