嵌入式外设入门：GPIO、UART、I2C、SPI 怎么理解

一、为什么外设总线重要

嵌入式开发经常要和硬件打交道。传感器、屏幕、Flash、按键、LED、通信模块都需要通过某种接口和主控芯片连接。

最常见的外设接口：

• GPIO。
• UART。
• I2C。
• SPI。
• PWM。
• ADC。

理解这些接口，是从应用开发走向板级开发和驱动开发的基础。

二、GPIO

GPIO 是通用输入输出引脚，可以输出高低电平，也可以读取外部电平。

常见用途：

• 点亮 LED。
• 读取按键。
• 控制复位脚。
• 控制电源使能。
• 读取硬件状态。

输出控制：

0 -> 低电平
1 -> 高电平

输入读取：

0 -> 外部低电平
1 -> 外部高电平

Linux 下可以通过 gpiod 工具调试：

gpiodetect
gpioinfo
gpioget gpiochip0 12
gpioset gpiochip0 12=1

三、UART

UART 是串口通信，嵌入式调试最常用。

常见参数：

115200 8N1

含义：

• 波特率：115200。
• 数据位：8。
• 校验位：None。
• 停止位：1。

Linux 下串口设备常见名称：

/dev/ttyS0
/dev/ttyUSB0
/dev/ttyAMA0

使用 picocom：

picocom -b 115200 /dev/ttyUSB0

UART 常见问题：

• TX/RX 接反。
• GND 没共地。
• 波特率不一致。
• 电平不匹配，TTL 和 RS232 不能直接接。

四、I2C

I2C 是两线总线：

SCL 时钟
SDA 数据

特点：

• 支持多个从设备。
• 每个设备有地址。
• 速度通常不高。
• 常用于传感器、EEPROM、RTC、电源管理芯片。

Linux 调试工具：

sudo apt install -y i2c-tools

查看总线：

i2cdetect -l

扫描设备：

i2cdetect -y 1

读取寄存器：

i2cget -y 1 0x50 0x00

写寄存器：

i2cset -y 1 0x50 0x00 0x12

I2C 常见问题：

• 没有上拉电阻。
• 地址写错，7 位地址和 8 位地址混淆。
• 设备没供电。
• 设备被内核驱动占用。
• 时序或电压不匹配。

五、SPI

SPI 常见四根线：

SCLK 时钟
MOSI 主发从收
MISO 主收从发
CS 片选

特点：

• 速度快。
• 全双工。
• 没有统一设备地址，通过 CS 选择设备。
• 常用于屏幕、Flash、ADC、无线模块。

关键参数：

• 时钟频率。
• CPOL。
• CPHA。
• bit order。
• 片选极性。

Linux 下常见设备：

/dev/spidev0.0
/dev/spidev1.0

SPI 常见问题：

• mode 配错。
• CS 不对。
• 频率太高。
• MOSI/MISO 接反。
• 设备需要额外 reset 或 dc 引脚。

六、PWM

PWM 是脉宽调制，通过控制占空比模拟不同输出效果。

常见用途：

• LED 亮度。
• 蜂鸣器。
• 电机调速。
• 舵机控制。

关键参数：

• 周期。
• 占空比。
• 极性。

示例：

周期 20ms，占空比 1.5ms，常用于舵机中位

七、ADC

ADC 用于把模拟电压转换成数字值。

常见用途：

• 电池电压。
• 电位器。
• 光照传感器。
• 温度传感器。

关注点：

• 分辨率：例如 12 bit。
• 参考电压。
• 采样率。
• 输入范围。
• 噪声和滤波。

八、调试外设的顺序

遇到外设不工作，不要直接怀疑驱动，按顺序检查：

1. 原理图连接是否正确。
2. 电源是否正常。
3. GND 是否共地。
4. 复位脚和使能脚是否正确。
5. 管脚复用是否配置正确。
6. 设备树是否开启。
7. 总线是否能扫描到设备。
8. 驱动是否加载。
9. 应用层参数是否正确。

九、学习建议

建议从 UART 和 GPIO 开始，因为反馈最直接。然后学习 I2C 读取传感器，再学习 SPI 驱动屏幕或 Flash。

每学一个外设，都要同时理解：

• 硬件连接。
• 时序协议。
• Linux 设备节点。
• 调试工具。
• 典型错误。

嵌入式开发最重要的是把软件现象和硬件信号联系起来。