stm32F407-GPIO的使用——点亮LED并且讲解各个寄存器

本文为stm32GPIO的介绍与使用，例子是简单的LED点亮。

一、 GPIO

GPIO（General Purpose I/O Ports）意思为通用输入/输出端口，通俗地说，
就是一些引脚，可以控制它们输出高低电平或者通过它们获取引脚的状态，
是高电平或是低电平。GPIO口一是个比较重要的概念，GPIO在嵌入式开发
中应用非常广泛，主要用于：
(1) 开关量的输入、输出，读取开关的状态，控制开关的关和开
(2) 控制硬件，例如LED，蜂鸣器
(3) 用于中断信号的输入引脚
(4) 使用GPIO模拟I2C, SPI接口时序与外部设备通信等

GPIO端口结构如下：
在这里插入图片描述

1.1 GPIO 端口的结构组成

由上面的图可以看出有下面几个重要组成部分：

① 保护二极管
有两个保护二极管，用于保护引脚外部过高或过低的电压输入。

②上下拉电阻
阻值约在30k-50k之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄存器控制。
当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电平由引脚内部上、下拉决定，开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高，开启内部下拉电阻工作，则引脚电平为低。同样，如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是我们所说的浮空模式。浮空模式下，引脚的电平是不可确定的。引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。需要注意的是，STM32 的内部上拉是一种“弱上拉”，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是得外部上拉。

③ 施密特触发器
对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化.

④ P-MOS 管和 N-MOS 管
这个结构控制 GPIO 的开漏输出和推挽输出两种模式。

STM32F4 的 IO 可以由软件配置成如下 8 种模式中的任何一种：
1、输入浮空
2、输入上拉
3、输入下拉
4、模拟输入
5、开漏输出
6、推挽输出
7、推挽式复用功能
8、开漏式复用功能

开漏输出：只能输出低电平，如果要输出低电平则需要加一个上拉电阻。
推挽输出：这两只对称的 MOS 管每次只有一只导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。推拉式输出既能提高电路的负载能力，又能提高开关速度。

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还有要注意的是如何判断是输入还是输出

输入输出是对于CPU而言的，比如我们需要点亮一个LED，则我们需要给LED的的这个引脚口给电平，那么这个电平是需要CPU去主动"给"的，所以这样需要CPU"给"的这种方式就是输出，换而言之就是需要在这个LED引脚口需要输出为某一电平。
相反的输入，就是CPU从某个引脚“获取”电平状态，典型的就是按键，我们是需要不断的检测按键的这个引脚的电平是什么状态，再进行下一步的操作，换而言之，就是按键将自己的电平状态反应给了CPU，进行了“输入”。

二、 LED

LED 是最经典的GPIO的使用，也是新手入门必须学会的——点灯.

LED的电路如下：可以看到右边是接共同的３.３V是共阳的LED模块，所以我们需要给LED引脚低电平就可以点亮该LED。
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可以找到这三个LED最后是连接到是stm32F407VET6上的PE8-PE10引脚上。

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接下来就可以进行代码控制了，那么就需要去了解控制该引脚的寄存器应该如何配置。
与IO配置常用的8个寄存器： MODER、OTYPER、OSPEEDR、PUPDR、ODR、IDR 、AFRH 和 AFRL。寄存器的介绍与配置可以在stm34F4中文参考手册中进行查看。下面是我认为比较重要的。

2.1 I/O相关寄存器简单介绍与分类

上面所说的8个与IO相关的寄存器主要可以分为三类：端口控制寄存器、端口数据寄存器、复用功能输入/输出寄存器。

2.1.1 I/O 端口控制寄存器

每个 GPIO 有 4 个 32 位存储器映射的控制寄存（GPIOx_MODER、GPIOx_OTYPER、 GPIOx_OSPEEDR、GPIOx_PUPDR），可配置多达 16个 I/O.

GPIOx_MODER 寄存器用于选择 I/O 方向（输入、输出、AF、模拟）。

GPIOx_OTYPER 和 GPIOx_OSPEEDR 寄存器分别用于选择输出类型（推挽或开漏）和速度.无论采用哪种 I/O 方向都会直接将 I/O 速度引脚连接到相应的 GPIOx_OSPEEDR 寄存位。无论采用哪种 I/O 方向，GPIOx_PUPDR 寄存器都用于选择上拉/下拉

2.1.2 I/O 端口数据寄存器

每个 GPIO 都具有 2 个 16 位数据寄存器：输入和输出数据寄存器（GPIOx_IDR 和GPIOx_ODR）。
GPIOx_ODR 用于存储待输出数据，可对其进行读/写访问。通过 I/O 输入的数据存储到输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) 中，它是一个只读寄存器。

2.1.3 I/O 复用功能输入/输出

有两个寄存器可用来从每个 I/O 可用的 16 个复用功能输入/输出中进行选择。借助这些寄存器，可根据应用程序的要求将某个复用功能连接到其它某个引脚。这意味着可使用 GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH 复用功能寄存器在每个 GPIO 上复用多个可用的外设功能。这样一来，应用程序可为每个 I/O 选择任何一个可用功能。由于 AF 选择信号由复用功能输入和复用功能输出共用，所以只需为每个 I/O 的复用功能输入/输出选择一个通道即可。

注意：对于每个 I/O 而言，应用程序一次只能为其选择一个可用的外设功能。

另外：所有端口都具有外部中断功能。要使用外部中断线，必须将端口配置为输入模式–这就是为什么我们在进行外部中断实验的时候一般都是使用的按键。

2.2 GPIO寄存器

2.2.1 GPIO 端口模式寄存器 (GPIOx_MODER)

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可以通过上面的32位的端口模式寄存器可以知道，每一个IO口都通过这个寄存器的两个位来控制I/O的方向模式。

2.2.2 GPIO 端口输出类型寄存器 (GPIOx_OTYPER)

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GPIOx_OTYPER也是一个32位的寄存器，
但是一个组最多16个GPIO，所以只使用了低16位，用这个寄存器来配置I/O端口的输出类型。

2.2.3 GPIO 端口输出速度寄存器 (GPIOx_OSPEEDR)

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GPIOx_OSPEEDR端口输出速度寄存器通过两位来配置I/O的输出速度。

2.2.4 GPIO 端口上拉/下拉寄存器 (GPIOx_PUPDR)

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用来配置I/O的上拉与下拉。

2.2.5 GPIO 端口输入数据寄存器 (GPIOx_IDR)

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输入数据寄存器，用于存储IO口的输入的数据值，注意这个寄存器只能读，不能进行写操作。

2.2.6 GPIO 端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR)与GPIO 端口置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)

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2.2.7 GPIO 复用功能低位寄存器 (GPIOx_AFRL)

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配置复用功能 I/O

2.2.8 GPIO 复用功能高位寄存器 (GPIOx_AFRH)

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三、 LED 初始化配置

GPIO 相关的函数和定义分布在固件库文件 stm32f4xx_gpio.c 和头文件 stm32f4xx_gpio.h 文件中。

在固件库开发中，操作四个配置寄存器初始化 GPIO 是通过 GPIO 初始化函数完成：

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)

第一个参数是用来指定需要初始化的 GPIO 对应的 GPIO 组;第二个参数为初始化参数结构体指针，结构体类型为 GPIO_InitTypeDef。
双击入口参数类型 GPIO_InitTypeDef
后右键选择“Go to definition of …”可以查看结构体的定义.

通过不断追踪GPIO_Init()中的各个参数，你就可以知道关于这个GPIO的配置都与我们前面提到的寄存器相关。

但是，仅仅对GPIO进行配置是远远不行的，还要记得整个单片机的心脏——时钟，所以我们需要将该引脚口所在的时钟线使能。
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可以知道PORTE是使用的AHB1的时钟线，所以使能AHB1时钟。

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE)

LED 完整配置代码

lec.c

void LED_Init(void)
{ 
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE,ENABLE);
 //E8910
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_100MHz;
 GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;//开漏只能输出高电平，LED需要低电平点亮
 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;
 GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);
 GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10);//输出为0,点亮LED
}

led.h

#ifndef __LED_H
#define __LED_H
void LED_Init(void);
#endif