4、STM32基础外设驱动：GPIO、USART、I2C、SPI接口编程实战

好，咱们进入正题。这一章是嵌入式开发的「基本功」。说白了，你玩转 STM32，其实就是玩转它身上的这些外设接口。GPIO、USART、I2C、SPI，这四个家伙，几乎覆盖了 90% 的传感器和通信模块。

我记得刚入行那会儿，带我的老工程师跟我说过一句话：「小伙子，别急着跑操作系统，先把这四个接口焊死在脑子里。」嗯，现在轮到我跟你说了。

4.1 GPIO：最基础，也最容易翻车

GPIO 就是通用输入输出口。你可以把它想象成芯片的「手脚」——要么往外推电平（输出），要么感知外部电平（输入）。

但这里有个坑。很多人以为 GPIO 就是「置 1 拉高，置 0 拉低」。其实远不止这么简单。STM32 的 GPIO 有 8 种工作模式，我挑几个最常用的说说：

  • 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（加三极管）都用它。
  • 开漏输出：只能输出低电平，高电平要靠外部上拉电阻。I2C 总线就是这种模式，我后面会讲。
  • 浮空输入：电平不确定，一般不用。除非你外部有很强的驱动源。
  • 上拉/下拉输入：内部有弱上拉或弱下拉电阻。检测按键时特别有用。

重要经验：我在项目中遇到过，一个同事把按键检测引脚设成了浮空输入，结果按键没按下时，电平乱跳，程序一直在误触发。后来改成上拉输入，问题立刻解决。你想想看，一个电阻的事，能省多少调试时间。

代码其实很简单。以 STM32F1 系列为例，初始化一个 GPIO 输出：

// 使能 GPIOB 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

// 定义初始化结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 配置 PB0 为推挽输出，50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// 拉高电平
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
// 拉低电平
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);

小技巧：我个人习惯用位带操作来点灯，速度快，代码也简洁。比如 PBout(0) = 1; 直接操作位带别名区，比调用库函数快好几个时钟周期。

4.2 USART：与外界对话的嘴巴

USART 就是串口。调试信息打印、跟电脑通信、跟 GPS 模块、蓝牙模块通信，全靠它。

为什么叫「异步」？因为它没有时钟线。收发双方得约定好相同的波特率，比如 115200。你想想看，两个人打电话，如果一个人说得快，一个人听得慢，那肯定乱套。

配置 USART 的步骤，我总结为三步走：

  1. 配置 GPIO 复用功能：TX 脚设为推挽复用输出，RX 脚设为浮空输入。
  2. 配置 USART 参数：波特率、数据位、停止位、校验位。
  3. 使能 USART 和中断（如果需要）。

来个标准配置代码：

// 使能 USART1 和 GPIOA 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

// 配置 TX (PA9) 为推挽复用输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 配置 RX (PA10) 为浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 配置 USART1
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

// 使能 USART1
USART_Cmd(USART1, ENABLE);

避坑指南：我曾经在调试一个 LoRa 模块时，串口死活收不到数据。查了半天，发现是 RX 引脚配置成了推挽输出。嗯，从那以后，我每次配串口都会默念一遍：「TX 复用推挽，RX 浮空输入。」

4.3 I2C：两根线走天下

I2C 只有两根线：SCL（时钟）和 SDA（数据）。但这两根线能挂载几十个设备，每个设备有唯一的地址。温度传感器、EEPROM、OLED 屏幕，很多都用 I2C。

I2C 的难点在于时序。启动信号、停止信号、应答信号，一个都不能错。不过 STM32 有硬件 I2C 外设，我们直接调用库函数就行。

我个人建议：能用硬件 I2C 就别用软件模拟。虽然软件模拟更灵活，但硬件 I2C 有中断和 DMA 支持，不占用 CPU。在冷链追踪这种需要长时间记录数据的场景里，CPU 资源很宝贵。

读一个 I2C 温度传感器的典型流程：

// 发送设备地址 + 写位
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

I2C_Send7bitAddress(I2C1, 0x48 << 1, I2C_Direction_Transmitter);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

// 发送寄存器地址
I2C_SendData(I2C1, 0x00);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));

// 重新启动，发送读命令
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

I2C_Send7bitAddress(I2C1, 0x48 << 1, I2C_Direction_Receiver);
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));

// 读取数据
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED));
uint8_t temp = I2C_ReceiveData(I2C1);

// 发送停止信号
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);

关键点：I2C 的地址是 7 位的，但发送时要左移一位，最低位表示读写方向（0 写，1 读）。这个细节，我见过好几个人在这里栽跟头。

4.4 SPI：速度至上

SPI 比 I2C 快得多。它有四根线：SCK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。

SPI 没有地址的概念，靠片选线来选择从设备。你要跟哪个设备通信，就把它的 CS 拉低，其他设备的 CS 拉高。

在冷链追踪系统里，SPI 通常用来接 LoRa 模块（比如 SX1278）或者 SD 卡。因为这些设备需要高速传输数据。

配置 SPI 的要点：

  • 时钟极性 (CPOL)：空闲时 SCK 是高电平还是低电平。
  • 时钟相位 (CPHA)：数据在 SCK 的第一个边沿采样，还是第二个边沿采样。
  • 数据帧格式：MSB 在前还是 LSB 在前。大部分设备是 MSB 在前。

来个 SPI 发送接收的例子：

// 使能 SPI1 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);

// 配置 SPI1
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;    // 空闲时低电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;  // 第一个边沿采样
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;     // 软件控制片选
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

// 使能 SPI1
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

// 发送一个字节并接收一个字节
uint8_t SPI_ReadWriteByte(uint8_t data) {
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    SPI_I2S_SendData(SPI1, data);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}

个人经验：SPI 的时钟频率不要一上来就设到最高。我遇到过一块 LoRa 模块，标称支持 10MHz，结果在 5MHz 下工作正常，到 8MHz 就开始丢包。后来降回 5MHz，稳如老狗。所以，从低速开始调试，再慢慢往上提，这是最稳妥的做法。

4.5 四种接口对比与选型建议

最后，我整理了一张表，方便你快速对比和选型：

接口 线数 速度 通信方式 典型应用
GPIO 1 根（每路） 取决于软件 并行/位控制 按键、LED、继电器
USART 2 根（TX/RX） 最高几 Mbps 异步串行 调试口、GPS、蓝牙
I2C 2 根（SCL/SDA） 最高 400kHz（标准） 同步串行，多从机 温度传感器、EEPROM
SPI 4 根（SCK/MOSI/MISO/CS） 最高几十 MHz 同步串行，全双工 LoRa 模块、SD 卡、显示屏

选型其实很简单：

  • 需要跟电脑通信？用 USART。
  • 需要挂多个低速传感器？用 I2C。
  • 需要高速传输大量数据？用 SPI。
  • 只是控制个灯或读个按键？GPIO 就够了。

嗯，这一章的内容就到这里。四种接口，每一种都是你工具箱里的利器。下一章，我们会把这些接口真正用起来，驱动 LoRa 模块和温度传感器。到时候，你就能感受到「纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行」的真谛了。

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