第四章：GPIO与基本外设

各位同学，欢迎来到实战课的第一站。今天我们要聊的，是嵌入式开发里最基础、也最绕不开的几个模块——GPIO、定时器、中断系统，还有那个默默无闻的SysTick。

你可能会想，GPIO不就是点个灯、读个按键吗？有什么好讲的？嗯，我当年也是这么想的。直到有一次，我在一个电机驱动项目里，因为GPIO输出模式没配对，导致MOS管驱动波形异常，烧了三个驱动板……从那以后，我再也不敢小看任何一个引脚配置。

4.1 GPIO配置与操作

GPIO，全称General Purpose Input Output，通用输入输出口。说白了，就是MCU用来跟外界打交道的引脚。

我个人习惯，拿到一个新板子，第一件事就是先把所有用到的GPIO初始化代码写好。别急着写业务逻辑，先把“手脚”活动开。

4.1.1 GPIO的工作模式

现在的MCU，GPIO模式多得让人眼花。但常用的就这几种：

• 推挽输出：最常用。能输出高电平，也能输出低电平。驱动LED、继电器都没问题。
• 开漏输出：只能输出低电平，高电平要靠外部上拉。常用于I2C总线、电平转换场景。
• 浮空输入：引脚电平完全由外部决定。适合读取按键状态。
• 上拉/下拉输入：内部有电阻拉高或拉低。防止引脚悬空时电平不确定。
• 复用功能：引脚交给内部外设（如UART、SPI）控制。这时候GPIO寄存器就不直接管用了。

4.1.2 GPIO配置实战

以STM32为例，配置一个GPIO输出，代码大概长这样：

// 初始化PA5为推挽输出
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();   // 开时钟，这一步容易忘

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 不上拉不下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速即可
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 操作引脚
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);   // 输出高
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);                // 翻转电平

你看，代码本身不复杂。但有几个坑：

• 时钟没开，配置了也白配。我见过有人查了两天bug，最后发现是时钟没使能。
• 速度别乱设。高速模式会增加功耗和噪声。驱动LED用低速就够了。
• 输出高电平时，注意负载电流。MCU引脚一般只能输出几毫安到二十毫安，驱动大负载要加三极管或MOS管。

4.2 定时器与PWM生成

定时器，是MCU里最强大的外设之一。它不仅能计时，还能生成PWM、捕获输入信号、编码器接口……在运动控制里，PWM是控制电机速度的核心手段。

4.2.1 定时器的工作原理

说白了，定时器就是一个不断递增（或递减）的计数器。它内部有一个时钟源，每来一个时钟脉冲，计数器就加1。当计数值达到某个设定值时，就会触发事件——比如更新中断、PWM翻转等。

我习惯把定时器想象成一个“秒表”：

• 预分频器：相当于把时钟频率降下来。比如72MHz的时钟，预分频设为71，就变成1MHz。
• 自动重装载值：计数器从0数到这个值，然后归零重新开始。这个值决定了定时周期。
• 比较值：当计数器等于这个值时，输出电平翻转。这就是PWM的占空比控制。

4.2.2 PWM生成实战

生成一个50Hz、占空比50%的PWM，用于控制舵机：

// 定时器2，通道1输出PWM
TIM_HandleTypeDef htim2;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();

htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71;          // 72MHz / 72 = 1MHz
htim2.Init.Period = 19999;          // 1MHz / 20000 = 50Hz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 9999;             // 占空比 50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

4.3 中断系统

中断，是MCU处理异步事件的机制。没有中断，你就得轮询——CPU啥也别干了，就盯着那个引脚看。有了中断，CPU可以该干嘛干嘛，事件来了再处理。

4.3.1 外部中断

外部中断，就是引脚电平变化时触发的中断。常用于按键检测、编码器信号、传感器触发等场景。

配置外部中断的步骤：

1. 配置GPIO为输入模式
2. 将GPIO连接到EXTI（外部中断控制器）
3. 配置中断触发方式（上升沿、下降沿、双边沿）
4. 使能中断线
5. 编写中断服务函数

// 配置PA0为外部中断，下降沿触发
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;  // 下降沿触发
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;           // 内部上拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 使能中断线
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

// 中断服务函数
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_PIN_0) != RESET)
    {
        // 处理中断事件
        // 注意：中断里别做耗时操作
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_0);
    }
}

4.3.2 定时器中断

定时器中断，就是定时器计数到某个值时触发的中断。常用于周期性任务，比如每1ms采集一次传感器数据。

// 配置定时器2，每1ms触发一次中断
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71;          // 1MHz
htim2.Init.Period = 999;           // 1ms
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 1, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);     // 启动定时器并使能中断

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if(__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET)
    {
        // 每1ms执行一次
        // 比如：更新PID控制量
        __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE);
    }
}

4.4 SysTick定时器

SysTick，是Cortex-M内核自带的一个24位递减定时器。它不依赖MCU厂商的外设库，是内核级别的。

SysTick最常见的用途，就是提供操作系统的心跳，或者作为HAL库的延时基准。说白了，它就是那个“嘀嗒嘀嗒”的节拍器。

配置SysTick非常简单：

// 配置SysTick为1ms中断一次
// SystemCoreClock 是系统时钟频率
SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);

// SysTick中断服务函数
void SysTick_Handler(void)
{
    // 每1ms执行一次
    // 比如：更新系统时间戳
    uwTick++;
}

我个人习惯，用SysTick来做软件定时器。比如：

• 定义一个全局变量，每1ms加1
• 需要延时的地方，读取当前值，加上延时时间，然后等待变量达到这个值
• 这样就不会阻塞CPU，还能实现多个定时器并行