GPIO 与寄存器

关键概念

GPIO 硬件结构图

每个 GPIO 引脚背后都是一个相对复杂的电路，理解这个结构才能明白各模式的区别：

GPIO 四种工作模式详解

BSRR 的重要性：原子操作

为什么用 BSRR 而不是直接读-改-写 ODR？考虑这种情况：

/* 危险：读-改-写 ODR 不是原子操作 */
/* 步骤1：读 ODR */
/* 步骤2（中断打入！改变了其他引脚）*/
/* 步骤3：写 ODR，中断的修改被覆盖！*/
GPIOD->ODR |= (1 << 12);  /* ← 存在竞态条件 */

/* 安全：BSRR 是单次写操作，无需关中断 */
/* 低16位：对应位写1 → 置高 */
GPIOD->BSRR = (1 << 12);   /* 置 PD12 高，其他引脚不受影响 */

/* 高16位：对应位写1 → 置低 */
GPIOD->BSRR = (1 << (12 + 16));  /* 清 PD12，拉低 */

/* HAL 库内部就是这样实现的：*/
/* HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET)   → BSRR = (1<<12)       */
/* HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET) → BSRR = (1<<12)<<16   */

GPIO 完整初始化（寄存器版）

#include "stm32f4xx.h"

/**
 * @brief 初始化 LED（PD12-PD15）和按键（PA0，用户按钮）
 */
void GPIO_Init_All(void) {

  /* ===== 开启时钟 ===== */
  RCC->AHB1ENR |= (1 << 0);  /* GPIOA 时钟 */
  RCC->AHB1ENR |= (1 << 3);  /* GPIOD 时钟 */

  /* ===== 配置 PD12-PD15 为推挽输出（4个LED）===== */
  /* MODER: PD12→bit25:24=01, PD13→bit27:26=01 ... */
  GPIOD->MODER &= ~(0xFF << 24);  /* 清零 pin12-15 的4×2 bits */
  GPIOD->MODER |=  (0x55 << 24);  /* 0101_0101 = 全部为输出模式 */
  GPIOD->OTYPER &= ~(0xF << 12);  /* 推挽输出 */
  GPIOD->OSPEEDR &= ~(0xFF << 24); /* 低速 */
  GPIOD->PUPDR &= ~(0xFF << 24);  /* 无上下拉 */
  GPIOD->ODR  &= ~(0xF << 12);   /* 初始熄灭 */

  /* ===== 配置 PA0 为上拉输入（用户按钮） ===== */
  GPIOA->MODER  &= ~(0x3 << 0);  /* 输入模式 (00) */
  GPIOA->PUPDR  &= ~(0x3 << 0);  /* 清零 */
  GPIOA->PUPDR  |=  (0x1 << 0);  /* 上拉 (01) */
}

/**
 * @brief 读取按键（PA0），高有效（按下为高）
 *        STM32F407-Discovery 的 User Button 按下时 PA0 = 高
 */
uint8_t Button_Read(void) {
  return (GPIOA->IDR & (1 << 0)) ? 1 : 0;
}

按键消抖实现

#include "stm32f4xx.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"  /* 使用 HAL_GetTick() 和 HAL_Delay() */

#define BTN_PIN      GPIO_PIN_0
#define BTN_PORT     GPIOA
#define DEBOUNCE_MS  20      /* 消抖时间窗口 20ms */

/**
 * @brief 软件消抖：检测按键是否被有效按下（高有效）
 *        本函数是阻塞式，仅适用于简单场景
 *        复杂场景应使用状态机方式（见下）
 */
uint8_t Button_Debounce_Blocking(void) {
  if (HAL_GPIO_ReadPin(BTN_PORT, BTN_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
    HAL_Delay(DEBOUNCE_MS);     /* 等待抖动平息 */
    if (HAL_GPIO_ReadPin(BTN_PORT, BTN_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
      while (HAL_GPIO_ReadPin(BTN_PORT, BTN_PIN) == GPIO_PIN_SET);  /* 等待松手 */
      HAL_Delay(DEBOUNCE_MS);   /* 松手消抖 */
      return 1;                  /* 确认一次有效按下 */
    }
  }
  return 0;
}

/* ──────────────────────────────────────────
   状态机消抖（非阻塞，推荐在主循环中调用）
   ────────────────────────────────────────── */
typedef enum {
  BTN_IDLE,       /* 等待按下 */
  BTN_PRESSING,   /* 检测到下降沿，等待消抖 */
  BTN_PRESSED,    /* 确认按下 */
  BTN_RELEASING   /* 检测到上升沿，等待消抖 */
} BtnState_t;

static BtnState_t btn_state = BTN_IDLE;
static uint32_t   btn_tick  = 0;

/**
 * @brief 非阻塞按键状态机，在主循环每次调用
 * @return 1=检测到一次完整按下并松手，0=否
 */
uint8_t Button_StateMachine(void) {
  uint8_t pin = (HAL_GPIO_ReadPin(BTN_PORT, BTN_PIN) == GPIO_PIN_SET);
  uint32_t now = HAL_GetTick();

  switch (btn_state) {
    case BTN_IDLE:
      if (pin) { btn_state = BTN_PRESSING; btn_tick = now; }
      break;
    case BTN_PRESSING:
      if (!pin) { btn_state = BTN_IDLE; }               /* 抖动，忽略 */
      else if (now - btn_tick >= DEBOUNCE_MS) { btn_state = BTN_PRESSED; }
      break;
    case BTN_PRESSED:
      if (!pin) { btn_state = BTN_RELEASING; btn_tick = now; }
      break;
    case BTN_RELEASING:
      if (pin) { btn_state = BTN_PRESSED; }              /* 抖动，忽略 */
      else if (now - btn_tick >= DEBOUNCE_MS) {
        btn_state = BTN_IDLE;
        return 1;  /* 一次完整的按下+松手 */
      }
      break;
  }
  return 0;
}

LED 呼吸灯（软件 PWM）

硬件 PWM 由定时器生成（第3章讲），这里用延时模拟 PWM 占空比变化，实现呼吸灯效果：

/**
 * @brief 软件 PWM 呼吸灯
 *        通过改变高低电平时间比（占空比），让 LED 亮度渐变
 *        注意：软件 PWM 占用 CPU，频率低，有闪烁感；实际应用用定时器 PWM
 */

#define LED_PIN   GPIO_PIN_12
#define LED_PORT  GPIOD
#define PWM_PERIOD_US  1000   /* PWM 周期 1000μs → 1kHz */

/* 简单微秒延时（基于 SysTick，非精确，仅演示）*/
void delay_us(uint32_t us) {
  uint32_t start = DWT_GetCycles();   /* 需要先使能 DWT */
  uint32_t cycles = us * (SystemCoreClock / 1000000);
  while (DWT_GetCycles() - start < cycles);
}

void LED_Breathe_Loop(void) {
  int duty;   /* 占空比 0~100 */

  for (int dir = 0; dir < 2; dir++) {   /* dir=0 渐亮，dir=1 渐暗 */
    for (duty = (dir ? 100 : 0);
         dir ? duty >= 0 : duty <= 100;
         dir ? duty-- : duty++) {
      /* 连续输出 20 个 PWM 周期让人眼感受到亮度 */
      for (int i = 0; i < 20; i++) {
        uint32_t on_time  = (PWM_PERIOD_US * duty) / 100;
        uint32_t off_time = PWM_PERIOD_US - on_time;
        if (on_time > 0) {
          HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_SET);
          delay_us(on_time);
        }
        if (off_time > 0) {
          HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_RESET);
          delay_us(off_time);
        }
      }
    }
  }
}