实验一 熟悉实验开发环境及GPIO编程 结构合理、条理清晰的程序结构，有助于提高程序的可移植性与可复用性，有利于程序 的维护。学习嵌入式软件编程，从一开始就养成规范编程的习惯，将为未来发展打下踏实基 础。这是第一个实验，目的是以通用输入输出为例，达到熟悉实验开发环境、理解规范编程 结构、掌握基本调试方法等目的。 一、实验目的 本实验通过编程控制 LED 小灯，体会 GPIO 输出作用，可扩展控制蜂鸣器、继电器等； 通过编程获取引脚状态，体会 GPIO 输入作用，可用于获取开关的状态。主要目的如下： （1）了解集成开发环境的安装与基本使用方法。 （2）掌握 GPIO 构件基本应用方法，理解第一个 C 程序框架结构，了解汇编语言与 C 语言的如何相互调用。 （3）掌握硬件系统的软件测试方法，初步理解 printf 输出调试的基本方法。 二、实验准备 （1）硬件部分。PC 机或笔记本电脑一台、开发套件一套。 （2）软件部分。根据网上光盘“..\02-Doc”文件夹下的电子版快速指南，下载合适的电 子资源。 （3）软件环境。按照电子版快速指南中“安装软件开发环境”一节，进行有关软件工 具的安装。 三、参考样例 （1）“.. \04-Soft\CH04-GPIO\GPIO-Output-DirectAddress)”。该程序使用直接地址编程方 式，点亮一个发光二极管。从中可了解到，模块的哪个寄存器的哪一位变化使得发光二极管 亮了，由此理解硬件是如何干预软件的。但这个程序不作为标准应用编程模板，因为要真正 进行规范的嵌入式软件编程，必须封装底层驱动构件，在此基础上进行嵌入式软件开发。 （2）“.. \04-Soft\CH04-GPIO\GPIO-Output-Component”。该程序通过调用 GPIO 驱动构 件方式，使得一个发光二极管闪烁。使用构件方式编程干预硬件是今后编程的基本方式。而 使用直接地址编程方式干预硬件，仅用于底层驱动构件制作过程中的第一阶段（打通硬件）， 为构件封装做准备。 四、GPIO知识要素与构件接口 1．GPIO 知识要素 通用输入输出（General Purpose Input/Output，GPIO），是 I/O 最基本形式，是几乎所有 计算机均使用到的部件。通俗地说，GPIO 是开关量输入输出的简化名称。而开关量是指逻 辑上具有 1 和 0 两种状态的物理量。开关量输出，可以是指在电路中控制电器的开和关，也 可以是指控制灯的亮和暗，还可以是指闸门的开和闭等等。开关量输入，开关量输出，可以 是指获取电路中电器开关状态，也可以是指获取灯的亮暗状态，还可以是指获取闸门开关状 态等等。 GPIO 硬件部分的主要知识要素有：GPIO 的含义与作用、输出引脚外部电路的基本接 法及输入引脚外部电路的基本接法等。 1）GPIO 的含义与作用 从物理角度，GPIO 只有高电平与低电平两种状态。从逻辑角度，GPIO 只有“1”和“0” 两种取值。在使用正逻辑情况下，电源（Vcc）代表高电平，对应数字信号“1”；地（GND） 代表低电平，对应数字信号“0”。作为通用输入引脚，计算机内部程序可以获取该引脚状 态，以确定该引脚是“1”（高电平）或“0”（低电平），即开关量输入。作为通用输出引 脚，计算机内部程序可以控制该引脚状态，使得引脚输出“1”（高电平）或“0”（低电平）， 即开关量输出。 GPIO 的输出是以计算机内部程序通过单个引脚控制着开关量设备，达到自动控制开关 状态之目的。GPIO 的输入是以计算机内部程序获取单个引脚状态，达到获得外界开关状态 之目的。 特别说明：注意在不同电路中，逻辑“1”对应的物理电平不同。在 5V 供电的系统中， 逻辑“1”的特征物理电平为5V；在3.3V供电的系统中，逻辑“1”的特征物理电平为3.3V。 因此，高电平的实际大小取决于具体电路。 2）输出引脚外部电路的基本接法 作为通用输出引脚，计算机内部程序向该引脚 输出高电平或低电平来驱动器件工作，即开关量输 出。如图 1-1 所示，输出引脚 O1 和 O2 采用了不同 的方式驱动外部器件。一种接法是 O1 直接驱动发光 二极管 LED，当 O1 引脚输出高电平时，LED 不亮； 当 O1 引脚输出低电平时，LED 点亮。这种接法的驱 动电流一般在 2mA～10mA。另一种接法是 O2 通过 一个 NPN 三极管驱动蜂鸣器，当 O2 引脚输出高电 平时，三极管导通，蜂鸣器响；当 O2 引脚输出低电 平时，三极管截止，蜂鸣器不响。这种接法可以用 O2 引脚上的几个 mA 的控制电流驱动高达 100mA 的驱 动电流。若负载需要更大的驱动电流，就必须采用光电隔离外加其他驱动电路，但对计算机 编