Как правильно писать и запускать тесты и микробэнчмарки в отдельных файлах(Google test/Google benchmark) в с++?

Обычно такие вещи выносятся в отдельные цели сборки. То есть у тебя будут следующие таргеты: основное приложение, тесты, бенчмарки. В проектах собираемых cmake, тесты регистрируются через add_test и IDE из подхватывает и позволяет запускать прям из своего интерфейса, а в CI они запускаются через ctest. То есть нужно правильно разделить приложение и собрать три (или больше) отдельных исполняемых файла.

Как избавится от шаблона?

Проблему общего класса можно решить добавлением еще одного уровня абстрации.

class BaseIO {
public:  
  ...
};

tamplate <class TClass>
class InitIO : public BaseIO
{
  static void AlternateInit(AlternateParameters val) {
    TClass io = { val.port, val.pin };
    io.SetAlternate(val.alternate);
    return io.SetParameters({ Mode::Alternate });
  }

  static void AnalogInit(AnalogParameters val) {
    TClass io = { val.port, val.pin };
    return io.SetParameters({ Mode::Analog, val.pull });
  }
}

class IOPort : public InitIO<IOPort> {
};

IOPort::AlternateInit({ .... });
vs
AlternateInit<IOPort>({ .... });

Думаю также можно просто переопределить функцию в производном классе.

class IOPort : public BaseIO 
{
public:
    static void AnalogInit(AlternateParameters val)
    {
        BaseIO::AnalogInit<IOPort>(val);
    }
}; 

IOPort::AnalogInit(...);