SOC-ESP32S3部分:8-GPIO输出LED控制

news2025/7/18 21:21:25

飞书文档https://x509p6c8to.feishu.cn/wiki/OSQWwh95niobqUkKyDQcVgsbnFg

这节课,我们将会以ESP32S3外设GPIO的使用为例,带大家学习如何从零开始学会ESP32外设的使用。

例如,这节课我们的需求是,需要通过GPIO控制指示灯的亮灭,也就是需要使用GPIO的输出控制功能,那如何了解GPIO的输出功能呢?

分为四步

  1. 看芯片手册了解下芯片的IO
  2. 查看板卡原理图,确定使用的是哪个GPIO
  3. 查看GPIO官方例程,了解GPIO如何配置
  4. 查看GPIO官方API文档或源码,了解API参数和如何使用

1、看芯片手册了解下芯片的IO

datasheet: 参考飞书文档

api说明书:参考飞书文档

ESP32-S3 芯片具有 45 个物理 GPIO 管脚(GPIO0 ~ GPIO21 和 GPIO26 ~ GPIO48)。每个管脚都可用作一个通用 IO,或连接一个内部外设信号。

​
Strapping(配置)管脚:GPIO0、GPIO3、GPIO45 和 GPIO46 是 Strapping 管脚。芯片启动时会通过这些管脚进入对应的工作模式,更多信息请参考 ESP32-S3 技术规格书。
SPI0/1:GPIO26 ~ GPIO32 通常用于 SPI flash 和 PSRAM,不推荐用于其他用途。当使用八线 flash 或八线 PSRAM 或同时使用两者时,GPIO33 ~ GPIO37 会连接到 SPIIO4 ~ SPIIO7 和 SPIDQS。因此,对于内嵌 ESP32-S3R8 或 ESP32-S3R8V 芯片的开发板,GPIO33 ~ GPIO37 也不推荐用于其他用途。
USB-JTAG:GPIO19 和 GPIO20 默认用于 USB-JTAG。如果将它们配置为普通 GPIO,驱动程序将禁用 USB-JTAG 功能

​

2、查看板卡原理图,确定使用的是哪个GPIO

购买核心板后,板卡原理图可在-》专属答疑交流群-》群公告-》链接中获取:

我们可以打开板卡原理图,找到需要点亮的LED模块,然后确定需要控制的GPIO,从下方原理图可以看到,LED对应的GPIO为GPIO9

3、查看GPIO官方例程,了解GPIO如何配置

IDF的所有官方例程都位于esp-idf/examples在,GPIO属于外设模块,所以位于peripherals下的gpio/generic_gpio中,完整路径是esp-idf/examples/peripherals/gpio/generic_gpio

例程如何看?首先看README文件,这个文件非常非常重要,它是对应例程使用的说明书,请务必看懂每一句话,如果英文不好,可以配合翻译软件查看

esp-idf/examples/peripherals/gpio/generic_gpio/README.md

这部分描述了这个例程支持哪些芯片:
| Supported Targets | ESP32 | ESP32-C2 | ESP32-C3 | ESP32-C5 | ESP32-C6 | ESP32-C61 | ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |
| ----------------- | ----- | -------- | -------- | -------- | -------- | --------- | -------- | -------- | -------- | -------- |

# Example: GPIO
这部分描述了如果需要了解更多关于examples文件夹的例程信息,可以查看esp-idf/examples/README.md文件
(See the README.md file in the upper level 'examples' directory for more information about examples.)
这部分描述了例程的功能:
This test code shows how to configure GPIO and how to use it with interruption.

## GPIO functions:
这部分描述了例程中,每个GPIO的功能配置,这里两个IO作为输出,两个IO作为输入
| GPIO                         | Direction | Configuration                                          |
| ---------------------------- | --------- | ------------------------------------------------------ |
| CONFIG_GPIO_OUTPUT_0         | output    |                                                        |
| CONFIG_GPIO_OUTPUT_1         | output    |                                                        |
| CONFIG_GPIO_INPUT_0          | input     | pulled up, interrupt from rising edge and falling edge |
| CONFIG_GPIO_INPUT_1          | input     | pulled up, interrupt from rising edge                  |

## Test:
这部分描述了测试IO功能时,如何进行器件连线,例如把输出的IO连接到输入的IO上
 1. Connect CONFIG_GPIO_OUTPUT_0 with CONFIG_GPIO_INPUT_0
 2. Connect CONFIG_GPIO_OUTPUT_1 with CONFIG_GPIO_INPUT_1
 3. Generate pulses on CONFIG_GPIO_OUTPUT_0/1, that triggers interrupt on CONFIG_GPIO_INPUT_0/1

 **Note:** The following pin assignments are used by default, you can change them by `idf.py menuconfig` > `Example Configuration`.
这部分描述了不同芯片默认的IO选择,这里默认的是乐鑫官方的开发板的,我们可以通过menuconfig配置为自己板卡
|                        | CONFIG_GPIO_OUTPUT_0 | CONFIG_GPIO_OUTPUT_1 | CONFIG_GPIO_INPUT_0 | CONFIG_GPIO_INPUT_1 |
| ---------------------- | -------------------- | -------------------- | ------------------- | ------------------- |
| ESP32C2/ESP32H2        | 8                    | 9                    | 4                   | 5                   |
| All other chips        | 18                   | 19                   | 4                   | 5                   |

## How to use example
这部分描述如何使用这个例程
Before project configuration and build, be sure to set the correct chip target using `idf.py set-target <chip_name>`.

### Hardware Required
这部分描述使用这个例程时,需要的硬件,一块板卡,一根USB线,用于连接IO的杜邦线
* A development board with any Espressif SoC (e.g., ESP32-DevKitC, ESP-WROVER-KIT, etc.)
* A USB cable for Power supply and programming
* Some jumper wires to connect GPIOs.

### Configure the project
这部分描述了如何配置、编译工程
### Build and Flash

Build the project and flash it to the board, then run the monitor tool to view the serial output:

Run `idf.py -p PORT flash monitor` to build, flash and monitor the project.

(To exit the serial monitor, type ``Ctrl-]``.)

See the [Getting Started Guide](https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/get-started/index.html) for full steps to configure and use ESP-IDF to build projects.

## Example Output
这部分描述了工程运行后,调试时日志输出内容
As you run the example, you will see the following log:

```
I (317) gpio: GPIO[18]| InputEn: 0| OutputEn: 1| OpenDrain: 0| Pullup: 0| Pulldown: 0| Intr:0
I (327) gpio: GPIO[19]| InputEn: 0| OutputEn: 1| OpenDrain: 0| Pullup: 0| Pulldown: 0| Intr:0
I (337) gpio: GPIO[4]| InputEn: 1| OutputEn: 0| OpenDrain: 0| Pullup: 1| Pulldown: 0| Intr:1
I (347) gpio: GPIO[5]| InputEn: 1| OutputEn: 0| OpenDrain: 0| Pullup: 1| Pulldown: 0| Intr:1
Minimum free heap size: 289892 bytes
cnt: 0
cnt: 1
GPIO[4] intr, val: 1
GPIO[5] intr, val: 1
cnt: 2
GPIO[4] intr, val: 0
cnt: 3
GPIO[4] intr, val: 1
GPIO[5] intr, val: 1
cnt: 4
GPIO[4] intr, val: 0
cnt: 5
GPIO[4] intr, val: 1
GPIO[5] intr, val: 1
cnt: 6
GPIO[4] intr, val: 0
cnt: 7
GPIO[4] intr, val: 1
GPIO[5] intr, val: 1
cnt: 8
GPIO[4] intr, val: 0
cnt: 9
GPIO[4] intr, val: 1
GPIO[5] intr, val: 1
cnt: 10
...
```

## Troubleshooting
这部分描述了如果遇到问题时,你可以到论坛上发帖求助
For any technical queries, please open an [issue](https://github.com/espressif/esp-idf/issues) on GitHub. We will get back to you soon.

如果你看不懂,直接把文档拷贝给AI工具,让它总结下,最终你会得到类似如下的内容:

这是一个关于 ESP-IDF 框架下 GPIO 示例的文档,介绍了该示例代码的功能、使用方法、硬件要求、配置步骤、运行输出及故障处理等内容,总结如下:

支持的芯片

支持 ESP32、ESP32 - C2、ESP32 - C3 等多种 Espressif 芯片。

示例功能

此测试代码展示了如何配置 GPIO 以及如何使用 GPIO 中断,具体 GPIO 配置如下:

测试步骤

  1. 连接 CONFIG_GPIO_OUTPUT_0CONFIG_GPIO_INPUT_0
  2. 连接 CONFIG_GPIO_OUTPUT_1CONFIG_GPIO_INPUT_1
  3. CONFIG_GPIO_OUTPUT_0/1 上产生脉冲,触发 CONFIG_GPIO_INPUT_0/1 的中断。

默认引脚分配

使用方法

  1. 设置芯片目标:在项目配置和构建前,使用 idf.py set - target <chip_name> 设置正确的芯片目标。
  2. 硬件要求:需要开发板、USB 线和跳线。
  3. 配置项目:可通过 idf.py menuconfig > Example Configuration 修改引脚配置。
  4. 构建和烧录:运行 idf.py -p PORT flash monitor 构建、烧录项目并监控串口输出。

示例输出

运行示例时,会输出 GPIO 配置信息、最小空闲堆大小,以及中断触发信息和计数器值。

故障处理

若有技术问题,可在 GitHub 上提交 issue。

同理,对于前面说到的esp-idf/examples/README.md文件说明,我们也可以总结下

​
该文档主要介绍了 ESP-IDF 项目中的示例,涵盖示例布局、使用方法、测试脚本、复制示例、进一步开发以及贡献示例等方面,具体内容如下:

示例布局:
示例按类别分组在子目录中,包括蓝牙(不同协议和主机栈)、构建系统、C++ 语言应用、以太网、入门示例等多个类别,此外 commmon_components 目录包含多个示例共享的代码。
bluetooth/bluedroid:使用默认 Bluedroid 主机栈的经典蓝牙(BT)、低功耗蓝牙(BLE)以及共存示例。
bluetooth/nimble:使用 NimBLE 主机栈的低功耗蓝牙示例。
bluetooth/esp_ble_mesh:ESP 低功耗蓝牙 Mesh 示例。
bluetooth/hci:HCI 传输(VHCI 和 HCI UART)示例。
build_system:构建系统特性的示例。
cxx:C++ 语言应用示例以及实验性组件。
ethernet:以太网网络示例。
get-started:功能极简的简单示例,是初学者的良好起点。
ieee802154:IEEE802.15.4 示例。
mesh:Wi-Fi Mesh 示例。
network:与一般网络环境、测试和分析相关的示例。
openthread:OpenThread 示例。
peripherals:展示 ESP32 板载各种外设驱动功能的示例。
protocols:展示网络协议交互的示例。
provisioning:Wi-Fi 配置示例。
security:关于安全特性的示例。
storage:展示使用 SPI 闪存、SD/MMC 接口等外部存储以及闪存分区进行数据存储方法的示例。
system:演示芯片内部一些特性,或调试与开发工具的示例。
wifi:高级 Wi-Fi 特性示例(网络协议示例请查看protocols目录)。
Zigbee:Zigbee 网络和设备示例。

使用示例:
设置芯片目标:
确保目标芯片受 ESP-IDF 版本和示例支持,使用 idf.py --list-targets 查看支持的目标,在示例项目目录中通过 idf.py set-target <target> 设置目标芯片。

配置项目:
通过 Project Configuration 了解 Kconfig 选项,使用 idf.py menuconfig 检查或修改 Kconfig 选项。

构建和烧录:
使用 idf.py build flash monitor 或 idf.py flash monitor 构建项目、烧录到开发板并通过串口监视器查看输出,若失败可检查串口监视器日志,使用 Ctrl + ] 退出串口监视器。

运行测试 Python 脚本(pytest):
部分示例有 pytest_....py 脚本,使用 pytest 作为测试框架,详细信息参考 ESP-IDF tests in Pytest documentation 中 “Run the Tests Locally” 部分,推荐使用 pytest 编写新测试。

复制示例:
每个示例是独立项目,不一定要在 esp-idf 目录内,可复制到任意位置,IDF_PATH 环境变量将示例与 ESP-IDF 其他部分连接,若需更基础项目可尝试 esp-idf-template。

进一步开发:
项目管理:
参考 IDF Frontend 文档、ESP-IDF 入门视频、示例项目 Overview 以及 Build System 文档。

编写代码:
按照 API references 编写代码。

贡献示例:
若有新示例可通过提交拉取请求发送给官方,在 ESP-IDF 文档中 “Creating Examples” page 介绍了创建高质量示例的步骤。

​

我们了解的例程的功能后,就可以结合API手册看例程的源码了。

4、查看GPIO官方API文档,了解API参数和如何使用

GPIO例程的源码文件在esp-idf/examples/peripherals/gpio/generic_gpio/main/gpio_example_main.c中,IO口的选择通过Kconfig进行配置esp-idf/examples/peripherals/gpio/generic_gpio/main/Kconfig.projbuild

这里的例程源码包括了GPIO的输出和输入、中断部分的配置,我们可以只关注输出部分即可,我们忽略无关内容,得到以下代码。

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"

#define LED_GPIO_IO    9
#define LED_GPIO_PIN_SEL    (1ULL<<LED_GPIO_IO)

void app_main(void)
{
    gpio_config_t io_conf = {};
    io_conf.pin_bit_mask = LED_GPIO_PIN_SEL;
    io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    io_conf.pull_down_en = GPIO_PULLUP_DISABLE;
    io_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE;
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    gpio_config(&io_conf);

    int cnt = 0;
    while (1) {
        printf("cnt: %d\n", cnt++);
        gpio_set_level(LED_GPIO_IO, 1);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
        gpio_set_level(LED_GPIO_IO, 0);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

这里面和GPIO相关的就是两个函数gpio_config、gpio_set_level,我们结合官方API文档https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/v5.4/esp32s3/api-reference/peripherals/gpio.html了解每个函数和参数的含义:

头文件
#include "driver/gpio.h"

esp_err_t gpio_config(const gpio_config_t *pGPIOConfig)
功能: gpio_config 函数用于配置一个或多个 GPIO 引脚。通过传递一个 gpio_config_t 结构体,可以设置引脚的模式、上拉/下拉电阻、中断类型等属性。

pGPIOConfig参数说明
typedef struct {
    uint64_t pin_bit_mask;  // 要配置的 GPIO 引脚的位掩码
    gpio_mode_t mode;       // GPIO 引脚的工作模式
    gpio_pullup_t pull_up_en; // 是否启用上拉电阻
    gpio_pulldown_t pull_down_en; // 是否启用下拉电阻
    gpio_int_type_t intr_type; // 中断触发类型
} gpio_config_t;

pin_bit_mask:
一个64位的掩码,用于指定要配置的引脚。每个位对应一个 GPIO 引脚,例如,若要配置 GPIO 2 和 GPIO 3,则可以设置为 (1ULL << 2) | (1ULL << 3)。
/*
 * Let's say, GPIO_INPUT_IO_0=2, GPIO_INPUT_IO_1=3
 * In binary representation,
 * 1ULL<<GPIO_INPUT_IO_0 is equal to 0000000000000000000000000000000000000100 and
 * 1ULL<<GPIO_INPUT_IO_1 is equal to 0000000000000000000000000000000000001000
 * GPIO_INPUT_PIN_SEL                0000000000000000000000000000000000001100
 * */

mode: 引脚的工作模式,可以是以下值之一:
GPIO_MODE_DISABLE: 禁用引脚。
GPIO_MODE_INPUT: 输入模式。
GPIO_MODE_OUTPUT: 输出模式。
GPIO_MODE_OUTPUT_OD: 开漏输出模式。
GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT_OD: 开漏输入输出模式。
GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT: 输入输出模式。

pull_up_en: 上拉电阻使能,可以是以下值之一:
GPIO_PULLUP_DISABLE: 禁用上拉电阻。
GPIO_PULLUP_ENABLE: 启用上拉电阻。

pull_down_en: 下拉电阻使能,可以是以下值之一:
GPIO_PULLDOWN_DISABLE: 禁用下拉电阻。
GPIO_PULLDOWN_ENABLE: 启用下拉电阻。

intr_type: 中断类型,可以是以下值之一:
GPIO_INTR_DISABLE: 禁用中断。
GPIO_INTR_POSEDGE: 上升沿触发中断。
GPIO_INTR_NEGEDGE: 下降沿触发中断。
GPIO_INTR_ANYEDGE: 任意边沿触发中断。
GPIO_INTR_LOW_LEVEL: 低电平触发中断。
GPIO_INTR_HIGH_LEVEL: 高电平触发中断。


esp_err_t gpio_set_level(gpio_num_t gpio_num, uint32_t level);
功能: gpio_set_level 函数用于设置指定 GPIO 引脚的电平。该函数适用于配置为输出模式的 GPIO 引脚。
参数:
gpio_num: 要设置电平的 GPIO 引脚编号。
level: 要设置的电平值,可以是 0(低电平)或 1(高电平)

所以最终程序如下:

#include <stdio.h>
// 包含 FreeRTOS 操作系统的核心头文件,FreeRTOS 是一个开源的实时操作系统内核,用于任务管理、调度等
#include "freertos/FreeRTOS.h"
// 包含 FreeRTOS 任务相关的头文件,提供了任务创建、删除、延时等功能的接口
#include "freertos/task.h"
// 包含 ESP32 芯片 GPIO(通用输入输出)驱动的头文件,用于对 GPIO 引脚进行配置和操作
#include "driver/gpio.h"

// 定义一个宏 LED_GPIO_IO,其值为 9,表示要使用的 GPIO 引脚编号为 9
#define LED_GPIO_IO    9
// 定义一个宏 LED_GPIO_PIN_SEL,通过位运算(将 1 左移 LED_GPIO_IO 位)生成一个用于选择特定 GPIO 引脚的掩码
#define LED_GPIO_PIN_SEL  (1ULL<<LED_GPIO_IO)

// 主应用程序入口函数,程序从这里开始执行
void app_main(void)
{
    // 定义一个 gpio_config_t 类型的结构体变量 io_conf,用于配置 GPIO 引脚的相关参数
    // 初始化为空结构体,确保所有成员都被初始化为 0
    gpio_config_t io_conf = {};
    // 设置 GPIO 引脚的中断类型为禁用,即不使用该引脚的中断功能
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    // 将 GPIO 引脚的工作模式设置为输出模式,意味着该引脚可以输出高低电平
    io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    // 使用之前定义的掩码 LED_GPIO_PIN_SEL 来指定要配置的 GPIO 引脚,这里就是 GPIO 9
    io_conf.pin_bit_mask = LED_GPIO_PIN_SEL;
    // 禁用 GPIO 引脚的下拉电阻,下拉电阻用于将引脚电平拉低
    io_conf.pull_down_en = GPIO_PULLUP_DISABLE;
    // 禁用 GPIO 引脚的上拉电阻,上拉电阻用于将引脚电平拉高
    io_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE;
    // 调用 gpio_config 函数,将上述配置应用到指定的 GPIO 引脚
    gpio_config(&io_conf);

    // 定义一个整型变量 cnt 并初始化为 0,用于计数
    int cnt = 0;
    while (1) {
        // 打印当前的计数值,并将 cnt 的值加 1
        printf("cnt: %d\n", cnt++);
        // 调用 gpio_set_level 函数,设置 GPIO 9 引脚的输出电平
        gpio_set_level(LED_GPIO_IO, 1);
        // 调用 FreeRTOS 的 vTaskDelay 函数,使当前任务延时 1000 个时钟节拍 portTICK_PERIOD_MS 表示每个时钟节拍对应的毫秒数,这里实现了 1 秒的延时
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
        gpio_set_level(LED_GPIO_IO, 0);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

然后我们需要把板卡接到底板上,因为LED是在底板上的。

//设置“目标”芯片。
idf.py set-target esp32s3 
//编译,首次编译一般需要几分钟
idf.py build
//烧录
idf.py -p COM19 flash monitor

烧录完成后,我们就可以看到LED亮1s,灭1s

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一、降级决策的核心逻辑:资源博弈下的生存选择 1.1 大促场景的资源极限挑战 在电商大促等极端流量场景下,系统面临的资源瓶颈呈现指数级增长: 流量特征: 峰值QPS可达日常的50倍以上(如某电商大促下单QPS从1万突增至50万)流量毛刺持续时间短(通常2-4小时),但对系统稳…