第三章 GPIO与按键输入：裸机点亮第一个LED，读取按键状态，实现防抖逻辑

好，咱们开始进入真正动手的环节了。

前面两章我们搭好了开发环境，也理解了芯片是怎么启动的。但说真的，光看理论不过瘾。这一章，我们来点实在的——让板子上的LED亮起来，再让按键控制它。

你可能会想：「不就是点个灯嘛，有什么难的？」嗯，我当年也是这么想的。直到我在一个工业项目里，因为按键抖动没处理好，导致设备误触发，差点把产线搞停……从那以后，我对GPIO和防抖这件事，再也不敢马虎。

3.1 GPIO是什么？说白了就是芯片的「手脚」

GPIO，全称General Purpose Input Output，通用输入输出口。

你可以把它想象成芯片伸出来的一个个引脚。每个引脚，要么往外送信号（输出），要么从外面读信号（输入）。

输出模式：比如让引脚输出高电平（3.3V）或低电平（0V），就能点亮LED。

输入模式：比如读取引脚上的电平，就能知道按键是按下了还是松开了。

我个人习惯，按键输入一律用内部上拉。省一个外部电阻，板子也干净。

3.2 裸机点亮第一个LED

好，我们先从最简单的开始。假设你的板子上，LED接在GPIOB的第0号引脚上，低电平点亮。

为什么是低电平点亮？很多开发板为了省事，LED正极接VCC，负极接GPIO。GPIO输出低，电流流过，灯亮。

点亮LED需要几步？其实就三步：

1. 开启GPIOB的时钟（别忘！很多新手栽在这）
2. 配置PB0为推挽输出模式
3. 往PB0的输出数据寄存器写0（低电平）

来看代码：

// 点亮LED的裸机代码（STM32F103为例）
// 寄存器地址定义
#define RCC_APB2ENR   (*(volatile unsigned int *)0x40021018)
#define GPIOB_CRL     (*(volatile unsigned int *)0x40010C00)
#define GPIOB_ODR     (*(volatile unsigned int *)0x40010C0C)

// 1. 开启GPIOB时钟（APB2总线上的外设）
RCC_APB2ENR |= (1 << 3);   // 第3位置1，使能GPIOB时钟

// 2. 配置PB0为推挽输出，最大速度10MHz
// CRL寄存器控制低8位引脚，每4位控制一个引脚
GPIOB_CRL &= ~(0xF << 0);  // 先清零PB0的配置位
GPIOB_CRL |= (0x1 << 0);   // 设置为推挽输出模式

// 3. 输出低电平，点亮LED
GPIOB_ODR &= ~(1 << 0);   // PB0输出0

我第一次写裸机代码时，忘了开时钟，灯死活不亮。查了半天手册才发现RCC_APB2ENR没配。嗯，这个坑我替你们踩过了。

3.3 读取按键状态

LED亮了，接下来让按键来控制它。

假设按键接在GPIOA的第0号引脚上，按下时引脚接地（低电平），松开时内部上拉（高电平）。

读取按键的步骤：

1. 开启GPIOA的时钟
2. 配置PA0为上拉输入模式
3. 读取输入数据寄存器（IDR）

// 读取按键状态
#define RCC_APB2ENR   (*(volatile unsigned int *)0x40021018)
#define GPIOA_CRL     (*(volatile unsigned int *)0x40010800)
#define GPIOA_IDR     (*(volatile unsigned int *)0x40010808)

// 1. 开启GPIOA时钟
RCC_APB2ENR |= (1 << 2);   // 第2位置1

// 2. 配置PA0为上拉输入
GPIOA_CRL &= ~(0xF << 0);  // 清零
GPIOA_CRL |= (0x8 << 0);   // 设置为上拉/下拉输入模式

// 3. 读取按键状态
uint8_t key_state = (GPIOA_IDR >> 0) & 0x01;
// key_state == 0 表示按下，key_state == 1 表示松开

这里有个细节：上拉输入模式下，内部上拉电阻默认是开启的。但有些芯片需要额外配置上拉寄存器。我建议你养成习惯，每次配完输入模式后，再检查一下上拉寄存器是否使能。

3.4 按键防抖——这个坑我必须讲

好，现在你写了个循环：检测到按键按下就翻转LED。结果发现，按一次，LED闪了好几下。

为什么会这样？

机械按键按下和松开的瞬间，触点会弹跳。这个弹跳过程会产生多个高低电平脉冲，持续5~20ms。你的程序读到的不是一次按下，而是几十次。

防抖的两种主流方法：

方法	原理	适用场景	缺点
硬件防抖	RC低通滤波 + 施密特触发器	对响应速度要求高的场景	增加BOM成本
软件防抖	延时采样或定时器轮询	大多数嵌入式应用	占用CPU时间

我个人更推荐软件防抖，灵活且零成本。下面给出两种实现：

3.4.1 简单延时防抖（不推荐用于生产）

// 简单延时防抖
if ((GPIOA_IDR & (1 << 0)) == 0) {  // 检测到按下
    delay_ms(20);                     // 延时20ms，跳过抖动期
    if ((GPIOA_IDR & (1 << 0)) == 0) {  // 再次确认
        // 按键确实按下了
        LED_toggle();
        while ((GPIOA_IDR & (1 << 0)) == 0); // 等待松开
    }
}

这个方法简单，但delay_ms会阻塞CPU。如果系统里还有其他任务要处理，就别用这个。

3.4.2 状态机防抖（推荐）

这才是工程级的做法。用状态机来管理按键状态，不阻塞，不丢数据。

// 按键状态机防抖
typedef enum {
    KEY_STATE_IDLE,      // 空闲
    KEY_STATE_DEBOUNCE,  // 防抖中
    KEY_STATE_PRESSED,   // 已按下
    KEY_STATE_RELEASE    // 等待松开
} KeyState;

KeyState key_state = KEY_STATE_IDLE;
uint8_t key_pin = 0;
uint16_t debounce_timer = 0;

void Key_Scan(void) {
    key_pin = (GPIOA_IDR >> 0) & 0x01;
    
    switch (key_state) {
        case KEY_STATE_IDLE:
            if (key_pin == 0) {          // 检测到低电平
                key_state = KEY_STATE_DEBOUNCE;
                debounce_timer = 20;     // 启动20ms定时
            }
            break;
            
        case KEY_STATE_DEBOUNCE:
            if (debounce_timer > 0) {
                debounce_timer--;
            } else {
                if (key_pin == 0) {      // 20ms后还是低电平
                    key_state = KEY_STATE_PRESSED;
                    // 在这里触发按键事件
                    LED_toggle();
                } else {
                    key_state = KEY_STATE_IDLE;  // 抖动，回到空闲
                }
            }
            break;
            
        case KEY_STATE_PRESSED:
            if (key_pin == 1) {          // 检测到松开
                key_state = KEY_STATE_RELEASE;
                debounce_timer = 20;
            }
            break;
            
        case KEY_STATE_RELEASE:
            if (debounce_timer > 0) {
                debounce_timer--;
            } else {
                key_state = KEY_STATE_IDLE;  // 回到空闲，准备下一次
            }
            break;
    }
}

我曾经在一个户外设备上，因为按键用了劣质货，抖动长达40ms。当时我调了三天才找到原因。所以，选按键的时候别太省，省下的几毛钱，可能换来几天的调试时间。

3.5 综合实验：按键控制LED

把上面的代码串起来，实现一个完整的功能：按一下按键，LED状态翻转。

// main.c - 按键控制LED完整示例
#include "stm32f10x.h"

void GPIO_Init(void) {
    // 开启GPIOA和GPIOB时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_IOPBEN;
    
    // PA0: 上拉输入
    GPIOA->CRL &= ~(0xF << 0);
    GPIOA->CRL |= (0x8 << 0);
    GPIOA->ODR |= (1 << 0);  // 使能内部上拉
    
    // PB0: 推挽输出
    GPIOB->CRL &= ~(0xF << 0);
    GPIOB->CRL |= (0x1 << 0);
    GPIOB->ODR |= (1 << 0);  // 初始高电平，LED灭
}

int main(void) {
    GPIO_Init();
    
    while (1) {
        Key_Scan();  // 状态机防抖，每秒调用1000次
        // 这里可以干别的事，不阻塞
    }
}

注意，Key_Scan()需要在定时器中断里每1ms调用一次，或者用SysTick做时基。如果你还没学到定时器，可以先在主循环里用delay_ms(1)凑合，但记住——这只是暂时的。

3.6 本章小结

这一章我们做了三件事：

• 点亮了第一个LED，理解了GPIO输出模式
• 读取了按键状态，理解了GPIO输入模式
• 实现了状态机防抖，这是工程级的做法

你可能会觉得，点个灯读个键，至于写这么多代码吗？

至于。因为从这一章开始，你不再是「照着教程敲代码」，而是在理解硬件和软件之间的交互。GPIO是所有外设的基础，防抖是所有输入处理的必修课。

下一章，我们会进入定时器的世界。到时候你会发现，有了定时器，很多事情都变得优雅了。

嗯，动手试试吧。有问题随时翻翻芯片手册，那才是最终答案。