一本章简介

本章介绍 MicroPython 中 GPIO（通用输入输出）的基础操作，包括数字输出、数字输入、开漏模式，以及如何查询引脚的复用功能。这是后续所有外设驱动的基础。

1.1 学习目标

序号	学习目标	重要程度
1	掌握 `pyb.Pin` 和 `machine.Pin` 的基本用法	⭐⭐⭐⭐⭐
2	能够配置引脚为数字输出并控制高低电平	⭐⭐⭐⭐⭐
3	能够配置引脚为数字输入并读取电平状态	⭐⭐⭐⭐⭐
4	了解推挽输出与开漏输出的区别和应用场景	⭐⭐⭐⭐
5	掌握 `af_list()` 查询引脚复用功能的方法	⭐⭐⭐

1.2 重点提示

STM32F407 的 GPIO 挂载在 AHB1 总线上，使用前必须使能对应端口的时钟。MicroPython 会在你创建 Pin 对象时自动使能时钟，无需手动操作。
天空星引出了 PA0-PA15、PB0-PB15、PC0-PC15、PD0-PD15、PE0-PE15 共 80 个 GPIO 引脚，但其中部分引脚已被板载外设占用，使用前请确认引脚是否空闲。
STM32F407 的 GPIO 输出电流建议控制在 5~8mA 以下，单个 IO 绝对最大值为 25mA，但长期工作在极限状态会影响稳定性。
pyb.Pin 和 machine.Pin 都可以控制 GPIO，pyb.Pin 是 STM32 专用 API，功能更丰富；machine.Pin 是跨平台 API，代码可移植性更好。

1.3 基础概念与术语

GPIO（General-Purpose Input/Output，通用输入输出口）：可以由软件配置为输入或输出的数字引脚，是单片机与外部世界交互最基本的方式。
推挽输出（Push-Pull，PP）：输出高电平时内部 PMOS 导通（推），输出低电平时内部 NMOS 导通（拉），能主动输出高低两种电平，驱动能力强。
开漏输出（Open-Drain，OD）：内部只有 NMOS，只能主动拉低，输出高电平时需要外部上拉电阻。常用于 I2C 总线或多设备共享信号线的场景。
上拉（Pull-Up）：将引脚通过电阻连接到 VCC，使引脚在悬空时保持高电平。
下拉（Pull-Down）：将引脚通过电阻连接到 GND，使引脚在悬空时保持低电平。
复用功能（Alternate Function，AF）：GPIO 引脚除了普通输入输出外，还可以被内部硬件外设（UART、SPI、I2C、TIM 等）接管，实现特定的硬件功能。

二 GPIO 工作模式

STM32F407 的每个 GPIO 引脚支持以下几种工作模式：

模式	MicroPython 常量	说明
输入	`Pin.IN`	高阻抗数字输入，读取外部电平
推挽输出	`Pin.OUT_PP`	能主动输出高低电平，驱动能力强
开漏输出	`Pin.OUT_OD`	只能主动拉低，高电平需外部上拉
复用推挽	`Pin.AF_PP`	引脚交给硬件外设控制，推挽模式
复用开漏	`Pin.AF_OD`	引脚交给硬件外设控制，开漏模式（如硬件 I2C）
模拟	`Pin.ANALOG`	用于 ADC/DAC，禁用数字缓冲区

上拉/下拉选项：

选项	MicroPython 常量	说明
无上下拉	`Pin.PULL_NONE`	引脚浮空，适合外部已有上下拉的场景
内部上拉	`Pin.PULL_UP`	激活内部上拉电阻（约 30~50kΩ）
内部下拉	`Pin.PULL_DOWN`	激活内部下拉电阻（约 30~50kΩ）

三数字输出

3.1 基本用法

python

from pyb import Pin

# 配置 PB2 为推挽输出模式
p = Pin('PB2', Pin.OUT_PP)

# 输出高电平
p.high()
# 等效写法：
p.value(1)

# 输出低电平
p.low()
# 等效写法：
p.value(0)

# 翻转电平
p.high()
p.low()

也可以使用跨平台的 machine.Pin：

python

from machine import Pin

# 配置 PB2 为输出，初始电平为低
p = Pin('BP2', Pin.OUT, value=0)

p.on()    # 输出高电平
p.off()   # 输出低电平
p.toggle()  # 翻转

3.2 读取输出状态

python

from pyb import Pin

p = Pin('PA0', Pin.OUT_PP)
p.high()

# 读取当前输出状态
print(p.value())  # 输出 1

3.3 批量初始化多个输出引脚

python

from pyb import Pin

# 批量配置多个引脚为输出
output_pins = [Pin(name, Pin.OUT_PP) for name in ('PE0', 'PE1', 'PE2', 'PE3')]

# 全部拉高
for p in output_pins:
    p.high()

# 全部拉低
for p in output_pins:
    p.low()

四数字输入

4.1 基本用法

python

from pyb import Pin

# 配置 PE1 为输入，内部上拉
p = Pin('PE1', Pin.IN, Pin.PULL_UP)

# 读取引脚电平（返回 0 或 1）
print(p.value())

# 配置为下拉输入
p2 = Pin('PE2', Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)
print(p2.value())

# 浮空输入（外部已有上下拉电阻时使用）
p3 = Pin('PE3', Pin.IN, Pin.PULL_NONE)
print(p3.value())

4.2 轮询检测电平变化

python

from pyb import Pin, delay

# 配置 PA0 为下拉输入（天空星用户按键）
btn = Pin('PA0', Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)

print("等待引脚变高...")
while True:
    if btn.value() == 1:
        print("检测到高电平！")
        break
    delay(10)

4.3 外部中断（IRQ）

轮询方式需要 CPU 不断检查引脚状态，效率较低。对于按键等事件，更好的方式是使用外部中断：

python

from pyb import Pin, ExtInt

# 定义中断回调函数
# 注意：中断回调函数必须简短快速，不能有耗时操作
flag = False

def pin_handler(line):
    global flag
    flag = True  # 只设置标志位，在主循环中处理

# 配置 PA0 上升沿触发中断，内部下拉
ext = ExtInt('PA0', ExtInt.IRQ_RISING, Pin.PULL_DOWN, pin_handler)

# 主循环中检查标志位
while True:
    if flag:
        flag = False
        print("检测到上升沿！")

WARNING

中断回调函数在中断上下文中执行，有严格限制：

禁止：print()、time.sleep()、内存分配（创建列表/字典/字符串）、浮点运算
允许：修改全局变量、置标志位、直接操作寄存器

违反这些规则可能导致系统崩溃或行为异常。

五开漏输出

开漏输出常用于以下场景：

I2C 总线：SCL 和 SDA 都是开漏模式，允许多个设备共享总线
线与逻辑：多个设备共享一根信号线，任意一个拉低则整体为低
电平转换：配合不同电压的上拉电阻，实现 3.3V 与 5V 之间的电平转换

python

from pyb import Pin

# 配置 PE3 为开漏输出，内部上拉
p = Pin('PE3', Pin.OUT_OD, Pin.PULL_UP)

p.low()   # 主动拉低（NMOS 导通，引脚接 GND）
p.high()  # 释放（NMOS 截止，由上拉电阻将引脚拉高）

NOTE

开漏输出调用 p.high() 并不是主动输出高电平，而是让引脚"悬空"，由外部上拉电阻决定最终电平。如果没有上拉电阻，引脚会处于浮空状态，电平不确定。

六查询引脚复用功能

STM32 的每个引脚都可以复用为多种外设功能。在 MicroPython 中，可以直接在 REPL 里查询任意引脚支持哪些复用功能，不用翻数据手册。

6.1 查询单个引脚

python

from pyb import Pin

# 查询 PB8 支持的所有复用功能
p = Pin('PB8')
print(p.af_list())
# 输出类似: [Pin.AF2_TIM4, Pin.AF3_TIM10, Pin.AF4_I2C1]

6.2 筛选特定外设

python

from pyb import Pin

# 找出 PA1 能用哪些定时器
p = Pin('PA1')
for af in p.af_list():
    if 'TIM' in str(af):
        print(af)
# 输出:
# Pin.AF1_TIM2
# Pin.AF2_TIM5
# 说明 PA1 可以复用为 TIM2 或 TIM5 的通道

6.3 批量扫描所有引脚的复用功能

python


from pyb import Pin

ports = ['A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'I']

print("{:<6} {}".format("GPIO", "AF list"))
print("-" * 80)

for port in ports:
    for num in range(16):
        name = 'P{}{}'.format(port, num)
        try:
            p = Pin(name)
            afs = p.af_list()
            if afs:
                af_str = ", ".join(str(af) for af in afs)
            else:
                af_str = "-"
            print("{:<6} {}".format(name, af_str))
        except (ValueError, OSError, TypeError):
            pass

6.4 查看引脚当前状态

python

from pyb import Pin

p = Pin('PB2')
print(p)          # 打印引脚当前模式、速度、上下拉等完整信息
print(p.name())   # 'PB2'
print(p.pin())    # 2（引脚编号）
print(p.port())   # 1（端口编号，0=A, 1=B, 2=C...）

TIP

af_list() 返回的是该引脚在芯片硬件层面支持的所有复用功能。但并不是所有功能都在固件中启用了——比如天空星只配置了 SPI2，即使某个引脚的 af_list() 里有 SPI1，也需要先在板级配置中启用 SPI1 才能使用。

七 GPIO 速度设置（进阶）

STM32F407 允许为每个 GPIO 引脚设置输出速度（边沿翻转速率），影响信号的上升/下降时间和 EMI 辐射。

速度等级	最高频率	适用场景
低速（DRIVE_0）	2MHz	普通 IO，EMI 最小
中速（DRIVE_1）	25MHz	一般通信信号
快速（DRIVE_2）	50MHz	较高速 SPI、I2C
高速（DRIVE_3）	100MHz	高速 SPI（>40MHz）、USB

python

from pyb import Pin
import stm

# 通过 stm 模块直接操作寄存器设置 GPIO 速度
# OSPEEDR 寄存器：00=低速 01=中速 10=快速 11=高速
# 设置 PE0 为高速输出
p = Pin('PE0', Pin.OUT_PP)
# PE0 对应 OSPEEDR 的 bit[1:0]
stm.mem32[stm.GPIOE + stm.GPIO_OSPEEDR] |= (3 << 0)  # 11 = 高速

NOTE

在大多数应用场景下，不需要手动设置 GPIO 速度，MicroPython 默认配置已经足够。只有在驱动高速 SPI 或需要精确控制信号边沿时，才需要关注这个参数。

八工程实践要点

8.1 驱动能力限制

STM32F407 的 GPIO 输出电流建议在 5~8mA 以下使用。虽然数据手册标注单个 IO 最大可以输出 25mA，但这是绝对极限值，长期工作在极限状态会：

导致芯片发热，影响稳定性
可能损坏 IO 口
影响信号质量

工程建议：

驱动 LED 时串联限流电阻，控制电流在 5mA 左右
驱动大电流负载（电机、继电器）必须使用驱动芯片
多个 IO 同时输出时，总电流不超过 120mA

8.2 5V 容忍引脚

STM32F407 的大部分 GPIO 引脚支持 5V 容忍输入（FT，Five-volt Tolerant），即输入端可以接受最高 5V 的信号，不会损坏芯片。但输出仍然是 3.3V 电平。

CAUTION

并非所有引脚都支持 5V 容忍！在连接 5V 外设之前，请查阅 STM32F407 数据手册确认引脚是否标注了 "FT"。将 5V 信号接入非 FT 引脚会损坏芯片。

8.3 避免引脚冲突

天空星核心板上部分引脚已被板载外设占用（如 PB2 连接 LED、PA0 连接按键、PB6/PB7 连接 I2C 等）。在使用这些引脚做其他用途时，需要注意可能的冲突。

九本节参考文档

STM32F407 数据手册（含 GPIO 电气特性）：
- https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f407vg.pdf
STM32F4 参考手册 RM0090（GPIO 章节与寄存器）：
- https://www.st.com/resource/en/reference_manual/dm00031020.pdf
MicroPython pyb.Pin 文档：
- https://docs.micropython.org/en/latest/library/pyb.Pin.html
MicroPython machine.Pin 文档：
- https://docs.micropython.org/en/latest/library/machine.Pin.html

[1]天空星筑基学习板套件介绍

GPIO基础

一本章简介

1.1 学习目标

1.2 重点提示

1.3 基础概念与术语

二 GPIO 工作模式

三数字输出

3.1 基本用法

3.2 读取输出状态

3.3 批量初始化多个输出引脚

四数字输入

4.1 基本用法

4.2 轮询检测电平变化

4.3 外部中断（IRQ）

五开漏输出

六查询引脚复用功能

6.1 查询单个引脚

6.2 筛选特定外设

6.3 批量扫描所有引脚的复用功能

6.4 查看引脚当前状态

七 GPIO 速度设置（进阶）

八工程实践要点

8.1 驱动能力限制

8.2 5V 容忍引脚

8.3 避免引脚冲突

九本节参考文档

GPIO基础

​

一 本章简介 ​

1.1 学习目标 ​

1.2 重点提示 ​

1.3 基础概念与术语 ​

二 GPIO 工作模式 ​

三 数字输出 ​

3.1 基本用法 ​

3.2 读取输出状态 ​

3.3 批量初始化多个输出引脚 ​

四 数字输入 ​

4.1 基本用法 ​

4.2 轮询检测电平变化 ​

4.3 外部中断（IRQ） ​

五 开漏输出 ​

六 查询引脚复用功能 ​

6.1 查询单个引脚 ​

6.2 筛选特定外设 ​

6.3 批量扫描所有引脚的复用功能 ​

6.4 查看引脚当前状态 ​

七 GPIO 速度设置（进阶） ​

八 工程实践要点 ​

8.1 驱动能力限制 ​

8.2 5V 容忍引脚 ​

8.3 避免引脚冲突 ​

九 本节参考文档 ​

一本章简介

1.1 学习目标

1.2 重点提示

1.3 基础概念与术语

二 GPIO 工作模式

三数字输出

3.1 基本用法

3.2 读取输出状态

3.3 批量初始化多个输出引脚

四数字输入

4.1 基本用法

4.2 轮询检测电平变化

4.3 外部中断（IRQ）

五开漏输出

六查询引脚复用功能

6.1 查询单个引脚

6.2 筛选特定外设

6.3 批量扫描所有引脚的复用功能

6.4 查看引脚当前状态

七 GPIO 速度设置（进阶）

八工程实践要点

8.1 驱动能力限制

8.2 5V 容忍引脚

8.3 避免引脚冲突

九本节参考文档