說說熟悉又陌生的GPIO

GPIO是什么?

字面意思看，GPIO=General Purpose Input Output，通用輸入輸出。有時(shí)候簡(jiǎn)稱為“IO口”。通用，就是說它是萬(wàn)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(gè)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(duì)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(jiǎn)單用法

輸出控制信號(hào)

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(chǎng)景。如上圖，P21這個(gè)GPIO口，輸出1的時(shí)候，LED403點(diǎn)亮，輸出0或者沒有輸出的時(shí)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(shí)候調(diào)用GPIO口拉高的函數(shù)，需要熄燈的時(shí)候調(diào)用GPIO拉低的函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)控制。函數(shù)的操作，最終變成了向這個(gè)GPIO的硬件寄存器寫入數(shù)據(jù)，硬件的狀態(tài)會(huì)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(gè)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(dòng)燈的開關(guān)，然后燈就滅了。你下的這個(gè)指令的動(dòng)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(gè)動(dòng)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(gè)開關(guān)(直接操作寄存器)，這個(gè)做法雖然能工作，但是在代碼設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)

重力傳感器輸出中斷信號(hào)給MCU的GPIO口G-sensor，也叫做重力傳感器/加速度傳感器/運(yùn)動(dòng)傳感器，檢測(cè)設(shè)備是否在運(yùn)動(dòng)的。咱們平時(shí)用的藍(lán)牙手環(huán)的計(jì)步器主要就是根據(jù)G-sensor采樣回來的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算而來的。設(shè)備不動(dòng)的時(shí)候，G-sensor和MCU都是休眠狀態(tài)以節(jié)省電量。

設(shè)備動(dòng)一動(dòng)，G-sensor感受到了就被喚醒了，就往中斷口上(GSENSOR_INT)發(fā)一個(gè)高電平信號(hào)，MCU感受到這個(gè)中斷口的電平從低變成高了，就退出休眠開始正常運(yùn)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(jī)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(gè)電話就是中斷信號(hào)，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(huì)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?yàn)镮2C只能由主設(shè)備主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼?qǐng)求，從設(shè)備是不能主動(dòng)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(qǐng)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(gè)中斷輸出，用來告訴主機(jī)“我已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)了，你快點(diǎn)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(gè)中斷口來喚醒系統(tǒng)，那一定要對(duì)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(duì)于大部分單片機(jī)，幾乎每一個(gè)中斷口都可以喚醒系統(tǒng)，但對(duì)于高主頻的處理器，如手機(jī)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(gè)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(cè)按鍵嚴(yán)格來講也是個(gè)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(shí)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到中斷，判定為按鍵按下。等到按鍵釋放了，GPIO口檢測(cè)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(jī)上比較常見的做法。在智能一些的硬件平臺(tái)上，往往會(huì)有獨(dú)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(shí)現(xiàn)按鍵的去抖、雙擊和長(zhǎng)按判斷。對(duì)于單片機(jī)，一旦被按鍵觸發(fā)之后，內(nèi)部就開始跑程序，每隔幾個(gè)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(shí)現(xiàn)去抖、雙擊和長(zhǎng)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(shí)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?？赡軙?huì)有人問，按鍵按下就是按下了，為什么會(huì)抖動(dòng)?

因?yàn)榘存I都是機(jī)械式的，兩個(gè)金屬片在接觸的瞬間，從微秒級(jí)的時(shí)間段來看，會(huì)存在接觸-斷開-再接觸這樣的輕微的抖動(dòng)。直到兩個(gè)金屬片牢牢的接觸到一起之后，抖動(dòng)才會(huì)消失。所謂按鍵去抖動(dòng)，就是通過延時(shí)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(gè)按鍵的檢測(cè)，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(gè)ADC口檢測(cè)到不同的鍵值。這個(gè)做法通常用于手機(jī)3.5mm有線耳機(jī)上的3個(gè)按鍵的檢測(cè)。

GPIO的高階應(yīng)用

GPIO除了簡(jiǎn)單的輸入輸出之外，還可以做一些相對(duì)復(fù)雜的操作，例如模擬I2C或SPI數(shù)據(jù)線、ADC電壓檢測(cè)、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[!--empirenews.page--]

I2C時(shí)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(gè)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(shí)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(jī)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(shí)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(shí)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?yàn)閁ART沒有時(shí)鐘線，需要非常精準(zhǔn)的按照約定的時(shí)間間隔輸出波形，軟件定時(shí)器不準(zhǔn)，硬件定時(shí)器占用系統(tǒng)資源多，所以很難實(shí)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?？刂艷PIO口 定時(shí)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(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。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(hào)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(shí)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(gè)做法只適合做簡(jiǎn)單的電池電壓顯示，如果要做類似智能手機(jī)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(bǔ)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(cè)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(shí)GPIO/ADC的供電電壓是3V，最大量程也是3V，可以測(cè)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(cè)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。