GPIO 配置指南

GPIO 配置的核心要素

不管是哪种总线或功能，GPIO 配置都围绕以下几个关键点：

要素	说明
引脚号	确定使用哪个端口的哪个引脚（如 PA5、PB12）
模式（Mode）	输入 / 输出 / 复用功能 / 模拟
输出类型（Type）	推挽（Push-Pull）/ 开漏（Open-Drain）
上拉/下拉（Pull）	上拉、下拉、浮空
速度（Speed）	低速、中速、高速、超高速（影响驱动能力和功耗）
复用功能（Alternate Function）	当用作外设引脚时，需要指定对应的复用功能编号

通用配置步骤

步骤 1：使能 GPIO 端口时钟

在配置任何引脚前，必须先开启对应 GPIO 端口的时钟（以 ARM Cortex-M 为例）：

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能 GPIOA 时钟

步骤 2：选择引脚和模式

• 普通输入：读取外部电平（按键、传感器等）
• 普通输出：控制 LED、继电器等
• 复用功能：作为 UART、SPI、I²C 等外设引脚
• 模拟模式：用于 ADC 输入、DAC 输出

步骤 3：设置输出类型（仅输出模式有效）

• 推挽输出：可输出高/低电平，驱动能力强
• 开漏输出：只能输出低电平，高电平需上拉（常用于 I²C、线与逻辑）

步骤 4：配置上拉/下拉

• 上拉：空闲时为高电平
• 下拉：空闲时为低电平
• 浮空：空闲电平不确定（易受干扰，不推荐用于输入）

步骤 5：配置速度

• 速度越高，驱动能力越强，但功耗也越大

• 一般：

  • 低速：≤2MHz
  • 中速：≤10MHz
  • 高速：≤50MHz
  • 超高速：≥100MHz

步骤 6：配置复用功能（如果需要）

• 查看芯片数据手册，找到引脚对应的复用功能编号（AFx）
• 在寄存器或 HAL 库中设置

常见模式配置示例（STM32 HAL 库）

普通推挽输出

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

上拉输入

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

复用推挽输出（如 UART TX）

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

复用开漏输出（如 I²C）

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

快速配置检查表

• 确认引脚号和端口
• 使能对应 GPIO 时钟
• 选择正确的模式（输入/输出/复用/模拟）
• 设置输出类型（推挽/开漏）
• 配置上拉/下拉
• 选择合适的速度
• 如果是复用功能，配置正确的 Alternate Function

常见通信总线配置

UART（通用异步收发传输）

信号线

• TX：发送数据（主机输出）
• RX：接收数据（主机输入）
• 可选：RTS、CTS（硬件流控）

GPIO 配置要点

• TX：复用推挽输出（Alternate Function Push-Pull）
• RX：复用输入（Alternate Function Input），建议上拉
• 配置复用功能号（AFx）为对应的 UART/USART 外设
• 输出速度可设为中速或高速（一般 10MHz 以上）

STM32 HAL 示例

// TX: PA9, RX: PA10
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();

// TX
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// RX
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

SPI（串行外设接口）

信号线

• SCLK：时钟（主机输出）
• MOSI：主机输出，从机输入（主机 → 从机数据）
• MISO：主机输入，从机输出（从机 → 主机数据）
• NSS/CS：片选（可选，高/低电平有效，主机输出）

GPIO 配置要点

• SCLK：复用推挽输出
• MOSI：复用推挽输出
• MISO：复用输入（上拉/浮空均可，上拉更稳定）
• NSS：可配置为复用推挽输出（硬件 NSS）或普通推挽输出（软件控制）
• 输出速度一般设为高速（100MHz 或更高，视芯片而定）

STM32 HAL 示例

// SCLK: PA5, MOSI: PA7, MISO: PA6, NSS: PA4
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// SCLK
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF5_SPI1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// MOSI
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// MISO
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// NSS (软件控制)
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_4;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET); // 初始拉高

I²C（Inter-Integrated Circuit）

信号线

• SCL：时钟线（主机输出，双向开漏）
• SDA：数据线（双向开漏）

GPIO 配置要点

• SCL / SDA：复用开漏输出（Alternate Function Open-Drain）
• 必须上拉（外部上拉电阻或内部上拉）
• 输出速度一般低速（100kHz 模式）或高速（400kHz 模式）
• 配置复用功能号为 I²C 外设

STM32 HAL 示例

// SCL: PB6, SDA: PB7
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;           // 开漏输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;               // 上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;      // 低速
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

对比总结表

总线	信号线	模式	上拉要求	速度	备注
UART	TX	复用推挽输出	无	中/高速	异步通信，点对点
UART	RX	复用输入	建议上拉	中速	异步通信，点对点
SPI	SCLK/MOSI	复用推挽输出	无	高速/超高速	同步，可多从机
SPI	MISO	复用输入	上拉可选	高速	同步，可多从机
SPI	NSS	推挽输出/复用输出	上拉可选	高速	片选信号
I²C	SCL/SDA	复用开漏输出	必须上拉	低速/高速	同步，多主多从

记忆口诀：

• UART：TX 推挽、RX 上拉输入
• SPI：SCLK/MOSI 推挽，MISO 输入，NSS 可软件控制
• I²C：SCL/SDA 开漏 + 上拉，速率低但连线少