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RT-Thread精通PM功耗调优 - 外设篇

发布于 2020-11-19 09:11:25 浏览：1467 订阅该版

[tocm]

[RT-Thread 电源管理与功耗调优系列 - 目录](https://club.rt-thread.org/ask/article/3419.html)

[RT-Thread精通PM功耗调优 - 思想篇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2296.html)

[RT-Thread精通PM功耗调优 - lptimer篇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2300.html)

[RT-Thread精通PM功耗调优 - 引脚篇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2304.html)

[RT-Thread精通PM功耗调优 - 线程篇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2305.html)

[RT-Thread精通PM功耗调优 - 外设篇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2307.html)

[RT-Thread精通PM功耗调优 - Tickless篇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2324.html)

[RT-Thread精通PM功耗调优 - 专用LOG篇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2338.html)

[实践：RT-Thread PM管理实战 系列](https://club.rt-thread.org/ask/article/2282.html)

[上手：产品功耗管理与调优经验分享 系列](https://club.rt-thread.org/ask/article/2707.html)

[应用：PM组件应用与经验分享 系列](https://club.rt-thread.org/ask/article/292.html)

本篇为【外设篇】

## 背景

* 功耗管理的对象，一般为整机。整个系统，单MCU方案，或多MCU方案，或多外设方案。因此，了解了MCU的基本电源与功耗模式，就要关注每个外设的功耗情况。

* 外设分为片上外设（MCU引脚、内部控制器），片外外设（具体点，如Touch Panel， LCD，BT module，NFC，PSRAM，EMMC等）。

* 片外外设，一般通过通讯总线与控制引脚，与MCU进行物理上的连接。有些外设，如BT、WIFI、ZigBee等，除了具体的硬件连接，可能与主芯片还有无线连接的方式。

## 外设功耗

* 外设功耗，是调优的重点。

* 前期需要对整机功耗进行拆解，大体上清楚了功耗的组成，对功耗调优有个基本的方向，发现功耗管理，原来是有流程可以借鉴的。

* 针对功耗大头（功耗钉子户），如何进行调优。

* 针对特殊的用户需求，如传感器算法，如何实现功能、功耗、性能的平衡。

## 外设分类：

* 片内的外设，如I2C、UART、SPI、CAN等，可以和电源控制引脚、其他控制引脚等，与片外外设绑在一起管理。

* 片外外设的功耗，一般为外设模块本身的功耗、引脚产生的漏电，功耗调优时，除了保证引脚不漏电外，尽量降低外设模块本身的功耗。

* 低功耗运行（间歇性）、进入低功耗工作模式、按需开关等。

## 外设管理

* 有工程师问我睡眠时，PSRAM（片外的RAM）要关闭，在睡眠前DeInit所有引脚，唤醒后Init所有引脚，发现PSRAM功能不正常，这是为何，怎么办？
答：我反问了一句，你是要睡眠时：PSRAM断电，还是不断电？

* 接下来分析：PSRAM功耗本身在IDLE空闲时，功耗很低，50uA/3.8V左右。引脚STM32 FSMC总线，内部上拉，会在控制引脚上产生约200uA/3.8V左右的漏电（引脚漏电，总有办法去掉）

* 如果调功耗本身没有指标：0uA 或 100uA，都无所谓，建议不断电，否则唤醒后，不只是改改引脚的问题，整个PSRAM 寄存器，包括FSMC控制器，可能都要初始化，并且，PSRAM里的数据全丢，如用于LCD显示，肯定会出问题。

* 不断电，全部引脚（包括控制引脚）反初始化，唤醒后，所有引脚初始化，发现也有问题，这个需要查看PSRAM的手册，了解部分控制引脚，需要有固定的电平，拉低的内部上拉拉低，上拉的内部上拉，不能全部DeInit。保证PSRAM安全的睡眠与唤醒。

* 一起断电的外设，注意唤醒后，要完整初始化外设后，方能使用。

* 断电的外设，初始化时间较久，建议考虑低功耗运行，而不是断电。

* 下面主要列举部分常用的外设的引脚处理，在调试功耗时，供参考

* xxx_DeInit的，用于进入睡眠前的处理，xxx_Init的，用于唤醒后的处理。

## PSRAM FSMC总线

```c
/* PSRAM GPIO Init */
void PSRAM_GPIO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

/* Peripheral clock enable */
	__HAL_RCC_FMC_CLK_ENABLE();

/** FMC GPIO Configuration
	PE0   ------> FMC_NBL0
	PE1   ------> FMC_NBL1
	PD0   ------> FMC_D2
	PD0   ------> FMC_DA2
	PD4   ------> FMC_NOE
	PD1   ------> FMC_D3
	PD1   ------> FMC_DA3
	PE4   ------> FMC_A20
	PE3   ------> FMC_A19
	PE2   ------> FMC_A23
	PB7   ------> FMC_NL
	PD5   ------> FMC_NWE
	PE6   ------> FMC_A22
	PE5   ------> FMC_A21
	PD6   ------> FMC_NWAIT
	PD3   ------> FMC_CLK
	PD7   ------> FMC_NE1
	PE10   ------> FMC_D7
	PE10   ------> FMC_DA7
	PD13   ------> FMC_A18
	PD15   ------> FMC_D1
	PD15   ------> FMC_DA1
	PD14   ------> FMC_DA0
	PE9   ------> FMC_D6
	PE9   ------> FMC_DA6
	PE15   ------> FMC_D12
	PE15   ------> FMC_DA12
	PD12   ------> FMC_A17
	PD11   ------> FMC_A16
	PD10   ------> FMC_D15
	PD10   ------> FMC_DA15
	PE8   ------> FMC_D5
	PE8   ------> FMC_DA5
	PE14   ------> FMC_D11
	PE14   ------> FMC_DA11
	PD9   ------> FMC_D14
	PD9   ------> FMC_DA14
	PD8   ------> FMC_D13
	PD8   ------> FMC_DA13
	PE7   ------> FMC_D4
	PE7   ------> FMC_DA4
	PE13   ------> FMC_D10
	PE13   ------> FMC_DA10
	PE12   ------> FMC_D9
	PE12   ------> FMC_DA9
	PE11   ------> FMC_D8
	PE11   ------> FMC_DA8
	PG12   ------> FMC_NCE2
	*/
	__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

/* PE0~PE15 */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_All;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
	GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_FMC;
	HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);

/* PD0,PD1,PD3~PE15 */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4
			|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7|GPIO_PIN_8
			|GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11|GPIO_PIN_12
			|GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15;
	HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);

/* PB7-FMC_ADV_N*/
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7;
	HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

/* PG12-FMC_NCE2 */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
	HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);
}

/* PSRAM GPIO DeInit */
void PSRAM_GPIO_DeInit(void)
{
	/** FMC GPIO Configuration
	PE0   ------> FMC_NBL0
	PE1   ------> FMC_NBL1
	PD0   ------> FMC_D2
	PD0   ------> FMC_DA2
	PD4   ------> FMC_NOE
	PD1   ------> FMC_D3
	PD1   ------> FMC_DA3
	PE4   ------> FMC_A20
	PE3   ------> FMC_A19
	PE2   ------> FMC_A23
	PB7   ------> FMC_NL
	PD5   ------> FMC_NWE
	PE6   ------> FMC_A22
	PE5   ------> FMC_A21
	PD6   ------> FMC_NWAIT
	PD3   ------> FMC_CLK
	PD7   ------> FMC_NE1
	PE10   ------> FMC_D7
	PE10   ------> FMC_DA7
	PD13   ------> FMC_A18
	PD15   ------> FMC_D1
	PD15   ------> FMC_DA1
	PD14   ------> FMC_DA0
	PE9   ------> FMC_D6
	PE9   ------> FMC_DA6
	PE15   ------> FMC_D12
	PE15   ------> FMC_DA12
	PD12   ------> FMC_A17
	PD11   ------> FMC_A16
	PD10   ------> FMC_D15
	PD10   ------> FMC_DA15
	PE8   ------> FMC_D5
	PE8   ------> FMC_DA5
	PE14   ------> FMC_D11
	PE14   ------> FMC_DA11
	PD9   ------> FMC_D14
	PD9   ------> FMC_DA14
	PD8   ------> FMC_D13
	PD8   ------> FMC_DA13
	PE7   ------> FMC_D4
	PE7   ------> FMC_DA4
	PE13   ------> FMC_D10
	PE13   ------> FMC_DA10
	PE12   ------> FMC_D9
	PE12   ------> FMC_DA9
	PE11   ------> FMC_D8
	PE11   ------> FMC_DA8
	PG12   ------> FMC_NCE2
	*/

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

/* PE0,PE1,PE3~PE15 */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_3|
		GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7|
		GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11|
		GPIO_PIN_12|GPIO_PIN_13|GPIO_PIN_14|GPIO_PIN_15;
	HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);

/* PB7-FMC_ADV_N */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7;
	HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

/* PD3 */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_3;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
	HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);

/* PE2 */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
	HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);
}
```

## SPI总线

```c
void SPI1_GPIO_Init(void)
{
	/* initialize the cs pin && select the slave*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_SET);

/* SPI1 clock enable */
	__HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
	GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF5_SPI1;
	HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);
}

void SPI1_GPIO_DeInit(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
	HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_15;
	HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

```

## SDIO EMMC总线
```c
/* SDMMC1 GPIO Init */
void SDMMC1_GPIO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

__HAL_RCC_SDMMC1_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();

/** SDMMC1 GPIO Configuration
	PD2     ------> SDMMC1_CMD
	PC10     ------> SDMMC1_D2
	PC11     ------> SDMMC1_D3
	PC12     ------> SDMMC1_CK
	PC8     ------> SDMMC1_D0
	PC9     ------> SDMMC1_D1
	*/

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11|GPIO_PIN_12
			|GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
	GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF12_SDMMC1;
	HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

/* SDMMC1 GPIO DeInit */
void SDMMC1_GPIO_DeInit(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();

/* PC8~PC11 */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10|
				GPIO_PIN_11;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

/* PC12--EMMC_CLK */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
	HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}
```

## UART
```c
void UART1_GPIO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

/* Enable GPIO TX/RX clock */
	__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

/* Enable USARTx clock */
	__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();

/* UART TX GPIO pin configuration  */
	GPIO_InitStruct.Pin       = GPIO_PIN_9;
	GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLUP;
	GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
	GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;

HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);

/* UART RX GPIO pin configuration  */
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
	GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;

HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);
}

void UART1_GPIO_DeInit(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
	HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);
	__HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE();
}
```

## I2C

```
void I2C1_GPIO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
	HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

void I2C1_GPIO_DeInit(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = { 0 };

__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
	HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

```
## USB总线

```c
/* USB PINS DeInit */
void STM32_USB_GPIO_DeInit(void)
{
	HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_12|GPIO_PIN_11);

/* Disable VDDUSB */
	if (__HAL_RCC_PWR_IS_CLK_DISABLED())
		__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
	HAL_PWREx_DisableVddUSB();
}

/* USB PINS Init*/
void STM32_USB_GPIO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

/* USB_OTG_FS GPIO Configuration
	PA12 ------> USB_OTG_FS_DP
	PA11 ------> USB_OTG_FS_DM
	*/
	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12|GPIO_PIN_11;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
	GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF10_OTG_FS;
	HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

/* Enable VDDUSB */
	if(__HAL_RCC_PWR_IS_CLK_DISABLED())
		__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
	HAL_PWREx_EnableVddUSB();
}

```

## 其他杂项：
禁用J-Link下载后DBGMCU寄存器，开启的调试功能，造成内核电压一直存在

```c
void rt_pm_disable_dbgmcu(void)
{
	HAL_DBGMCU_DisableDBGStopMode();
	HAL_DBGMCU_DisableDBGSleepMode();
	HAL_DBGMCU_DisableDBGStandbyMode();
}
```

禁用StandBy模式下GPIO使能的上下拉配置
```c
void rt_pm_clear_pullup_pulldown(void)
{
	HAL_PWREx_DisablePullUpPullDownConfig();
}
```

## STM32 Standby模式下开启内部上拉
STM32 进入关机StandBy模式，默认所有的GPIO引脚改为模拟态，可以配置为上拉或下拉。
如：
```c
HAL_PWREx_EnableGPIOPullUp(PWR_GPIO_A, PWR_GPIO_BIT_0);
// 配置好某些引脚上下拉属性后，开启是能。
HAL_PWREx_EnablePullUpPullDownConfig();
```
## 中断引脚的处理：
* 理论上，中断本身漏电非常低，可以不处理，否则，睡眠模式下无法通过此引脚唤醒
* 深睡眠时，部分不需要的中断引脚，按常规处理，睡眠前DeInit，唤醒后Init（注意中断配置跟之前一致）。
* 中断，注意内部使能的上下拉电阻漏电。

## 案例：按键双边沿（上升与下降）无法触发
* 了解到外部的上拉电阻（10K，较小，有漏电）已移除，导致按键按下后，电平不变化（物理电压），造成MCU无中断产生（物理：芯片）。为何强调物理，请了解中断触发的物理条件。
* 配置上拉，使能中断（双边沿），无效！！因为默认GPIO 【驱动适配，用户可改！】，双边沿时，GPIO重新初始化为无内部上下拉配置。所以，手动改一下即可。
*【重点】drv_gpio.c（感觉是rt-thread BSP 提供的，不敢改!! 有的客户，内核都给你改掉！！这里是基于stm32的适配驱动，可以改！！）

```c
//改这个函数：  你用的：rt_pin_irq_enable，最终实现的函数如下：

static rt_err_t stm32_pin_irq_enable(struct rt_device *device, rt_base_t pin,
                                     rt_uint32_t enabled)
                                     
```

```
        /* Configure GPIO_InitStructure */
        GPIO_InitStruct.Pin = index->pin;        
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        switch (pin_irq_hdr_tab[irqindex].mode)
        {
        case PIN_IRQ_MODE_RISING:
            GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
            GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
            break;
        case PIN_IRQ_MODE_FALLING:
            GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
            GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
            break;
        case PIN_IRQ_MODE_RISING_FALLING:
            GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 【重点位置：默认无上下拉，外部有上拉，或能改变电平的，不用改！按需可以改为内部上拉，很少有改为下拉的！】*/
            GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING;
            break;
        }
        HAL_GPIO_Init(index->gpio, &GPIO_InitStruct);
```

* 按键，一般是有默认电平的，如你外部默认一直拉低（工作时断开->内部上拉），这时，STM32 内部上拉电阻（50K左右），也会有部分漏电，需要考虑采用外部上拉（考虑阻值大一点，如1M），保证漏电达到最低。

以上为接触过的外设引脚的处理部分，仅供参考。