第9课（总）：GPIO 与通信接口总览

硬件学习路线 · 第九课按接口分开讲：本页先讲 GPIO 和通信的基本分类，然后依次是 UART、RS485、SPI、I²C（各一页）

一、为什么要"通信"？

单片机自己只能算，要和外面打交道，就必须通过接口：读取传感器的数据、控制电机和继电器、和电脑或其他单片机交换信息、驱动屏幕。接口就是单片机的"嘴巴"和"耳朵"。

类比：单片机像一个只会思考的大脑，接口是它的手和嘴。GPIO 是最简单的一根"手指"，只能表达"是"或"否"；UART、SPI、I²C 则是几种"语言"，可以把复杂的信息按规则说出来。选哪种语言，取决于要说多远、说多快、要用几根线。

二、通信的四种分类

学任何一种接口之前，先要认清它属于哪一类。下面四组概念，几乎覆盖了所有通信方式。

分类	两种情况	通俗理解
并行 / 串行	并行：多根线同时传多位；串行：一根线一位一位传	并行像多车道同时走，串行像一条车道排队过
同步 / 异步	同步：有公共时钟线（如 SPI、I²C）；异步：没有时钟线，靠约定速率（如 UART）	同步像大家跟着同一个节拍器打拍子；异步像各自数着相同速度的秒
单工 / 半双工 / 全双工	单工：只能一个方向；半双工：两个方向轮流；全双工：同时双向	单工像单行道，半双工像对讲机，全双工像电话
点对点 / 总线	点对点：两个设备直接相连；总线：多个设备挂在同一组线上	点对点像两人对话，总线像一个会议室

记住这张表的用法：看到一个接口，先问三个问题：它是串行还是并行？它有没有时钟线（同步还是异步）？它能挂几个设备（点对点还是总线）？这三个问题的答案，基本就决定了它的特性。

三、GPIO：最基础的接口

GPIO（General Purpose Input Output，通用输入输出）是单片机的每一个引脚都可以配置的基本功能：要么输出高电平或低电平，要么读取外部的高低电平。

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输出控制 LED 亮灭、继电器吸合、三极管和 MOS 管的开关（第4课）

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输入读取按键、限位开关、比较器输出（第5课、第6课）

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复用功能同一个引脚可以切换为 UART、SPI、I²C 等功能引脚，这就是"复用"

复用是单片机的常态：一个引脚在某一时刻只能做一件事。如果你把某脚设为 UART 的发送，它就不能再当普通的 GPIO 输出。配置引脚时要查引脚复用表（Alternate Function），避免两个功能抢同一根线。

四、GPIO 的输出与输入结构

同样是"输出一个 1"，GPIO 内部的电路结构不同，外部看到的效果也不同。理解这一点，是正确接线的关键。

4.1 输出结构

结构	内部怎么工作	能做什么	典型用途
推挽（Push-Pull）	上管与下管轮流导通，输出 1 时接电源，输出 0 时接地	能主动拉高，也能主动拉低，驱动能力强	LED、三极管基极、普通数字输出（默认模式）
开漏（Open-Drain）	只有下管，输出 0 时拉到地，输出 1 时"放开"（高阻）	只能拉低；高电平要靠外部上拉电阻	I²C 总线、多设备共用一根线、电平转换

4.2 输入结构

模式	含义	注意
浮空输入	内部不加上拉也不加下拉，完全由外部决定	外部没接东西时，电平不确定，会乱跳（第6课讲过）
上拉输入	内部接一个约几十 kΩ 的电阻到电源，平时读 1	按键接地，按下时读 0，最常用
下拉输入	内部接一个电阻到地，平时读 0	外部接到 VDD 时才读 1
模拟输入	把引脚断开数字电路，交给 ADC 读取电压	用于采样传感器电压，见 ADC 课程

未用的引脚不要悬空：没用到的 GPIO，应当配置为输出，或者配置为带上拉/下拉的输入。悬空的输入脚像一根天线，会受干扰，增加功耗，甚至导致程序异常。

五、动手试一试：GPIO 模拟器

选择引脚的模式，再选择外部连接的东西，看引脚实际读到什么电平。这正是很多"按键不灵""LED 不亮""总线冲突"问题的根源。

引脚模式

外部连接

引脚实际电压-

单片机读到的电平-

六、GPIO 的电流与电压限制

每个 GPIO 能提供或吸收的电流有限，超过就会发热、电压下降，甚至损坏。典型的数值（具体以所用芯片的数据手册为准）：

指标	含义	常见量级
单脚最大电流	一个引脚灌入或拉出的最大电流	十几到二十几 mA
整组（端口）总电流	同一组引脚加起来的上限	几十到一百多 mA
电源电压范围	IO 能承受的电压，不能超过 VDD 太多	一般不能超过 VDD + 0.3 V 左右

6.1 LED 驱动：回忆第3课的限流计算

直接用 GPIO 驱动 LED 时，要算限流电阻。例：3.3 V 系统，红色 LED 压降 2.0 V，目标电流 5 mA：R = (3.3 − 2.0) / 0.005 = 260 Ω，取 270 Ω，实际电流约 4.8 mA，在引脚能力之内。

不要直接用 GPIO 驱动大负载：电机、继电器、大功率 LED 要用三极管或 MOS 管做中间级（第4课），GPIO 只提供控制信号。

七、五种接口总览对比

下面五种接口，后面每一种都会单独讲一页。先在这里看清它们的差别：

接口	线数	同步/异步	双向	拓扑	距离（参考）	速率（参考）	典型用途
GPIO	1 根 / 脚	—	可输入可输出	点对点	板内	—	开关、LED、按键
UART 串口	2 根（TX、RX）+ GND	异步	全双工	点对点	板间，几米	9600 ~ 几 Mbps	调试打印、模块通信
RS485	2 根差分（A、B）+ GND	异步	半双工	总线，可挂 32 或更多	可达 1200 m（低速）	9600 ~ 10 Mbps	工业现场、传感器网络
SPI	4 根（SCK、MOSI、MISO、CS）+ GND	同步	全双工	一主多从	板内，几十厘米	几 Mbps ~ 几十 Mbps	Flash、屏幕、ADC、高速传感器
I²C	2 根（SDA、SCL）+ GND	同步	半双工	多主多从总线	板内，几十厘米	100 kbps ~ 1 Mbps	EEPROM、温湿度、IMU、OLED

一个直观的规律：线越少，越省引脚，但速度和功能往往受限（I²C 只要两根线，但速度低）；线越多，速度越快（SPI），但引脚开销大。RS485 为了远距离和抗干扰，选择了差分信号，代价是要加收发芯片。

八、怎么选接口？

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要调试打印、连模块选 UART（TTL 电平），两根线即可，最容易上手

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要走几十到上千米选 RS485，差分抗干扰，一主多从

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要高速读写存储或屏幕选 SPI，速率高，全双工

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要挂很多小传感器、省引脚选 I²C，两根线挂几十个器件，每个用地址区分

总结的思路：先看距离（板内还是板间，还是几百米），再看速度（几十 kbps 还是几十 Mbps），最后看引脚是否够用。满足三者的最简单接口，就是最好的选择。

九、小测验：GPIO 与通信总览

十、本节小结

通信按串行/并行、同步/异步、单工/半双工/全双工、点对点/总线来区分。
GPIO 可配置为推挽输出、开漏输出、上拉输入、浮空输入等，结构不同，接线效果不同。
开漏输出只能拉低，高电平要靠上拉电阻，这是 I²C 等总线的基础。
未用的引脚不能悬空；大负载要通过三极管或 MOS 管驱动。
五种接口各有适用场合：UART 调试与模块通信，RS485 远距离，SPI 高速，I²C 省引脚挂多器件。

接下来依次学习：第9课 · UART 串口　→　RS485　→　SPI　→　I²C