3、GPIO基础与按键输入：学习GPIO模式配置，用按键控制LED开关，理解上拉/下拉电阻

好，咱们进入第三节课。这节课我打算聊聊GPIO，也就是通用输入输出口。这东西是单片机跟外界打交道最基础的方式，说白了就是芯片的「手脚」。

你想想看，单片机要控制一个LED亮灭，或者检测一个按键有没有被按下，靠的就是GPIO。这节课我们就用按键控制LED开关这个经典实验，把GPIO的模式配置、上拉下拉电阻这些概念一次性讲透。

3.1 GPIO到底是什么？

GPIO的全称是General Purpose Input Output，通用输入输出。每个GPIO引脚都可以独立配置成输入模式或者输出模式。

• 输出模式：单片机主动往外送高电平（3.3V或5V）或低电平（0V），用来驱动LED、蜂鸣器这类外设。
• 输入模式：单片机读取外部信号是高还是低，比如检测按键是否按下。

嗯，这里要注意一点：同一个引脚，同一时间只能干一件事。要么输入，要么输出，不能又当爹又当妈。我见过不少新手把引脚同时配成输入和输出，结果逻辑混乱，查了半天才发现问题。

3.2 GPIO的几种工作模式

现在的单片机（比如STM32）GPIO模式远不止输入输出这么简单。我列个表，你一看就明白：

我个人习惯，做按键输入时首选上拉输入模式。为什么？因为大多数按键电路都是按下接地，上拉输入正好匹配，而且省掉一个外部电阻。

3.3 上拉电阻与下拉电阻——别让引脚「飘着」

这里有个关键概念：上拉电阻和下拉电阻。说白了，就是给引脚一个「默认状态」。

你想想看，如果引脚什么都不接，它处于什么电平？答案是——不确定。可能受周围电磁干扰乱跳，读出来的值一会儿0一会儿1。这就是所谓的「浮空」状态。

上拉电阻：在引脚和VCC之间接一个电阻（通常4.7kΩ~10kΩ）。这样引脚默认就是高电平。当按键按下接地时，引脚被拉低，变成低电平。

下拉电阻：在引脚和GND之间接一个电阻。默认低电平，按键按下接VCC时变成高电平。

3.4 实战：用按键控制LED开关

好，理论讲完了，咱们直接上代码。这个实验的目标是：按下按键，LED亮；松开按键，LED灭。

硬件连接很简单：

• LED正极接GPIOA Pin0（推挽输出）
• LED负极串联一个220Ω电阻到GND
• 按键一端接GPIOA Pin1（上拉输入）
• 按键另一端接GND

下面是基于STM32的HAL库代码：

// 初始化GPIO
void GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 使能GPIOA时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    // 配置PA0为推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;   // 推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;            // 输出不需要上拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;   // 低速即可
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置PA1为上拉输入
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;        // 输入模式
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;            // 内部上拉
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 主循环
int main(void)
{
    HAL_Init();
    GPIO_Init();

    while (1)
    {
        // 读取按键状态
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
        {
            // 按键按下（低电平），点亮LED
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
        }
        else
        {
            // 按键松开（高电平），熄灭LED
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
}

3.5 按键消抖——别忽略这个细节

你实际测试时会发现一个问题：有时候按一下按键，LED会闪好几下。这不是代码写错了，而是按键的机械抖动。

按键内部是金属弹片，按下时不会瞬间稳定接触，会在几毫秒内反复弹跳。单片机速度很快，可能在这几毫秒内读到了多次电平变化。

解决办法很简单：延时消抖。检测到按键按下后，等10~20ms再读一次，确认确实是按下状态。

if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
{
    // 延时10ms消抖
    HAL_Delay(10);
    // 再次确认
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        // 这才是真正的按键按下
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0);  // 翻转LED状态
    }
}

3.6 总结一下这节课的核心

• GPIO有输入和输出两种基本方向，同一时间只能选一种。
• 上拉/下拉电阻给引脚一个确定的默认电平，避免浮空。
• 按键输入建议用内部上拉，省外部元件。
• 机械按键必须做消抖处理，10~20ms延时足够。

下节课咱们会用到定时器，让LED实现呼吸灯效果。到时候你会发现，GPIO配合定时器，能玩出很多花样。今天就到这儿，动手试试吧！