GPIO就是芯片上的一根干啥都行的引腳

關(guān)于GPIO，先來看個笑話

面試官：“聽說過GPIO么？”

工程師：“聽說過，經(jīng)常用?！?/p>

“GPIO是什么？“”

“。。。。。。GPIO就是GPIO啊。。?！?/p>

“GPIO有什么用？”

“。。。。。。不知道。。。”

“好了，你可以回去了?！?/p>

下面就來好好說說這個熟悉又陌生的GPIO。

GPIO是什么？

字面意思看，GPIO=General Purpose Input Output，通用輸入輸出。有時候簡稱為“IO口”。通用，就是說它是萬金油，干什么都行。輸入輸出，就是說既能當(dāng)輸入口使用，又能當(dāng)輸出口使用。端口，就是元器件上的一個引腳。怎么用？寫軟件控制。

總結(jié)：GPIO就是芯片上的一根干啥都行的引腳。

講了這么多，相信不懂的人還是一頭霧水，咱們對著案例看看GPIO怎么用至于上拉、下拉、懸空、高阻、開漏、推挽之類的概念，可以以后再慢慢琢磨。

GPIO的簡單用法

輸出控制信號

GPIO控制LED燈的開關(guān)

GPIO用來做開關(guān)控制，是最常見的應(yīng)用場景。

如上圖，P21這個GPIO口，輸出1的時候，LED403點亮，輸出0或者沒有輸出的時候，LED403熄滅。

GPIO口是怎么被控制的呢？通過軟件代碼。需要亮燈的時候調(diào)用GPIO口拉高的函數(shù)，需要熄燈的時候調(diào)用GPIO拉低的函數(shù)，即可實現(xiàn)控制。函數(shù)的操作，最終變成了向這個GPIO的硬件寄存器寫入數(shù)據(jù)，硬件的狀態(tài)會跟隨寄存器的數(shù)據(jù)改變而改變。

硬件寄存器在這里可以理解為一個電子開關(guān)，好比你告訴家里的保姆說“去吧客廳的燈關(guān)上”，他就走過去按動燈的開關(guān)，然后燈就滅了。你下的這個指令的動作相當(dāng)于調(diào)用了GPIO操作的函數(shù)，保姆去按開關(guān)這個動作相當(dāng)于函數(shù)配置寄存器。

當(dāng)然你也可以直接去按這個開關(guān)（直接操作寄存器），這個做法雖然能工作，但是在代碼設(shè)計中是不符合規(guī)范的。后續(xù)修改中很容易導(dǎo)致誤操作。實際操作中需要預(yù)先初始化，配置GPIO的參數(shù)，把寄存器建立接口給其他進(jìn)程調(diào)用等軟件類的操作，這里就不詳述了。

輸入中斷信號

重力傳感器輸出中斷信號給MCU的GPIO口

G-sensor，也叫做重力傳感器/加速度傳感器/運動傳感器，檢測設(shè)備是否在運動的。咱們平時用的藍(lán)牙手環(huán)的計步器主要就是根據(jù)G-sensor采樣回來的運動數(shù)據(jù)計算而來的。

設(shè)備不動的時候，G-sensor和MCU都是休眠狀態(tài)以節(jié)省電量。

設(shè)備動一動，G-sensor感受到了就被喚醒了，就往中斷口上（GSENSOR_INT）發(fā)一個高電平信號，MCU感受到這個中斷口的電平從低變成高了，就退出休眠開始正常運行。

然后MCU就通過I2C數(shù)據(jù)接口讀取G-sensor里的數(shù)據(jù)。

如何理解中斷呢？你正在睡覺，突然有人來找你，他就要先把你搖醒才行。這就是把你的睡眠中斷了，讓你從睡眠中被喚醒（如同上述例子）。

同樣，如果你正在看電影，突然手機鈴聲響了，一看是女朋友來電話了，就要把電影暫停，保留電影當(dāng)前的播放位置，然后去接女朋友的電話。接完了電話，再繼續(xù)從之前的播放位置開始播放。

這個電話就是中斷信號，保存電影位置就是中斷響應(yīng)前的狀態(tài)入棧，接電話的過程就是中斷服務(wù)程序，掛了電話繼續(xù)播放就是中斷的狀態(tài)出棧。

可能有人會說，為什么多此一舉，G-sensor不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU么？這是因為I2C只能由主設(shè)備主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱?，從設(shè)備是不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)的（只能任由主設(shè)備過來讀取數(shù)據(jù)）。關(guān)于I2C協(xié)議的內(nèi)容，請見相關(guān)文章。

但凡I2C接口且持續(xù)工作的設(shè)備，都需要有一個中斷輸出，用來告訴主機“我已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)了，你快點過來取走吧”。

用GPIO做中斷，還需要特別特別注意一條：如果選擇這個中斷口來喚醒系統(tǒng)，那一定要對照芯片規(guī)格書看清楚，選擇的中斷口能不能喚醒系統(tǒng)？

對于大部分單片機，幾乎每一個中斷口都可以喚醒系統(tǒng)，但對于高主頻的處理器，如手機和平板電腦的，并不是所有的GPIO都可以配置成中斷，也不是所有的中斷都能喚醒系統(tǒng)。

如果選擇了一個不能喚醒系統(tǒng)的中斷口做上述示例，一旦MCU進(jìn)入休眠，外設(shè)就失效了。

用作按鍵輸入

GPIO做按鍵檢測

按鍵嚴(yán)格來講也是個中斷。GPIO口默認(rèn)狀態(tài)是低電平，按鍵按下后被拉到高電平，此時系統(tǒng)能夠檢測到中斷，判定為按鍵按下。

等到按鍵釋放了，GPIO口檢測到電壓回歸低電平，就判定為按鍵松開了。這種做法是單片機上比較常見的做法。在智能一些的硬件平臺上，往往會有獨立的硬件按鍵接口（非GPIO口），在芯片內(nèi)部加入按鍵控制器，通過硬件實現(xiàn)按鍵的去抖、雙擊和長按判斷。

對于單片機，一旦被按鍵觸發(fā)之后，內(nèi)部就開始跑程序，每隔幾個毫秒讀取一次按鍵狀態(tài)，判斷按鍵是否被釋放。通過軟件實現(xiàn)去抖、雙擊和長按的功能。

圖上的電容，用處是濾除外部干擾，避免被誤觸發(fā)，同時起到一定的按鍵去抖作用。圖上的TVS管，是為了防止靜電進(jìn)入CPU。

可能會有人問，按鍵按下就是按下了，為什么會抖動？

因為按鍵都是機械式的，兩個金屬片在接觸的瞬間，從微秒級的時間段來看，會存在接觸-斷開-再接觸這樣的輕微的抖動。直到兩個金屬片牢牢的接觸到一起之后，抖動才會消失。所謂按鍵去抖動，就是通過延時來消除掉接觸再斷開這種異常狀態(tài)的。

如果GPIO口不夠，但是需要做多個按鍵的檢測，也可以把按鍵配置成為ADC，通過不同按鍵產(chǎn)生不同的電壓，來利用一個ADC口檢測到不同的鍵值。這個做法通常用于手機3.5mm有線耳機上的3個按鍵的檢測。

GPIO的高階應(yīng)用
GPIO除了簡單的輸入輸出之外，還可以做一些相對復(fù)雜的操作，例如模擬I2C或SPI數(shù)據(jù)線、ADC電壓檢測、輸出PWM波形等。

這些功能有些可以直接配置成硬件接口，也可以通過軟件來模擬波形。

用作I2C接口

GPIO用作I2C數(shù)據(jù)總線

I2C時序圖

I2C是智能硬件電路上最常用的數(shù)據(jù)傳輸總線，只需要2根線，就能夠掛載多個從設(shè)備，能夠雙向傳輸，最大速度可達(dá)400Kbps，非常適合傳輸控制指令和小量數(shù)據(jù)。

平時大家用的G-sensor傳感器、光距離傳感器、電容觸摸屏、LED燈控制器、攝像頭的控制命令等，幾乎都是I2C接口的。

GPIO口用作I2C，算是GPIO傳數(shù)據(jù)的最常用的方式。如果芯片內(nèi)部自帶I2C控制器，可以直接配置GPIO切換到硬件I2C上。例如單片機幾乎都可以這么做。

如果芯片內(nèi)部的I2C接口不夠用，還可以通過軟件控制GPIO口拉高拉低來模擬I2C的波形和時序，照樣可以當(dāng)作I2C使用。

同樣的模擬數(shù)據(jù)線的做法，還可以用GPIO來模擬SPI。只要是帶時鐘的低速同步數(shù)據(jù)線，都可以用GPIO口來模擬。

但是GPIO口不能用來模擬UART串口。因為UART沒有時鐘線，需要非常精準(zhǔn)的按照約定的時間間隔輸出波形，軟件定時器不準(zhǔn)，硬件定時器占用系統(tǒng)資源多，所以很難實現(xiàn)。

PWM輸出

GPIO輸出PWM波控制蜂鳴片

不同占空比的PWM波形

GPIO口輸出PWM波，跟當(dāng)作I2C使用的性質(zhì)上是一樣的。控制GPIO口 定時拉高拉低，就可以輸出PWM波形。

如上圖，就是通過PWM來控制外部升壓電路，驅(qū)動蜂鳴片發(fā)出聲音的。PWM還可以用于控制LED燈的調(diào)光，改變PWM輸出的占空比，調(diào)節(jié)燈光亮度

ADC采樣

GPIO用作ADC采樣，采集電池電壓

電池分壓后給ADC采樣

ADC,Analog-to-Digital Converter，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。ADC的應(yīng)用范圍很廣，麥克風(fēng)音頻數(shù)據(jù)的采樣、電壓電流信號的采樣、模擬傳感器輸出的數(shù)據(jù)的量化等。

受限于精度、量程、采樣速度等，GPIO的ADC一般不做太復(fù)雜的應(yīng)用，大部分時候只做電壓采集。

如上圖，把GPIO口配置成為ADC模式，采集電池電壓，用于做電池電量顯示。這個做法只適合做簡單的電池電壓顯示，如果要做類似智能手機的百分之一精度的電池電量管理，還需要外加更高精度的ADC和電池補償算法。

GPIO做ADC，最常遇到的問題是：

一，不是所有的GPIO口可以做ADC使用，一定要看清楚規(guī)格書！
二，ADC有電壓域限制的，3V供電的ADC測量不到超過3V的電壓。例如上面第一張圖，MCU用3V電池供電，此時GPIO/ADC的供電電壓是3V，最大量程也是3V，可以測量到電池電壓。而第二張圖鋰離子電池電壓是4.2V，MCU供電是3V，GPIO/ADC工作電壓也是3V，就量不到這么高的電壓了。超出量程測量出來的都是一樣的。因此利用電阻分壓，把4.2V的電池電壓折半降低到2.1V，給3V量程的ADC使用。
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