1、GPIO介绍

GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口，也就是我们平时所说的I/O口。

• 可配置为8种输入输出模式。
• 引脚电平：0v~3v，部分引脚可容忍为5v。
• 输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等。
• 输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接受数据等。

1.1 GPIO的基本结构

在STM32中，所有的GPIO都是挂载在APB2外设总线上的；其中GPIO所有的外设名称都是按照GPIOA、GPIOB、GPIOC等等这样来命名的。

每个GPIO外设总共有16个引脚，编号是0~15；例如GPIOA的第0号引脚，我们一般将其称之为PA0。

在每个GPIO模块内，主要包含了寄存器和驱动器。寄存器就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，这样来完成输出电平和读取电平的功能。

寄存器的每一位对应一个引脚，其中输出寄存器写1，对应的引脚就会输出高电平；写0，就输出低电平。输入寄存器读取为1，就证明对应的端口目前是高电平；读取为0，就是低电平。

STM32是32位的单片机，所有STM32内部寄存器都是32位的，但这个端口只有16位，因此这个寄存器只有低16位对应有端口，而高16位是没有被用到的。

驱动器主要是用来增加信号的驱动能力，寄存器只负责存储数据，若要进行点灯的操作，还是需要驱动器来负责增大驱动能力的。

1.1 GPIO的位结构

最右边的I/O引脚，接了两个保护二极管来对输入电压限幅。

上面的二极管VDD-3.3V，下面二极管接VSS-0V：

• 如果输入电压比3.3V还要高，那上方这个二极管就会导通。
• 输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路，这样就可以避免过高的电压对内部这些电路产生伤害。
• 如果输入电压比0V还要低，这个电压是相对于VSS的电压，所以是可以有负电压的，这是下方的二极管就会导通，电流会从VSS直接流到I/O出去，而不会从内部电路汲取电流，也可以保护内部电路。
• 如果输入电压在0~3.3V之间，那两个二极管均不会导通。

左上方一个上拉电阻，一个下拉电阻：

• 目的是为了提供一个默认的输入电平，因为对应一个数字的端口，输入的不是高电平就是低电平，如果输入引脚什么都不接，那到底是算高电平还是低电平。
• 实际情况是，如果输入引脚啥都不接，这时输入就会处于一种浮空的状态，引脚的输入电平极易受外界干扰而改变。
• 为了避免引脚悬空导致的输入数据不确定，我们就需要在这里加上上拉或者下拉电阻了。
• 此时，如果接入上拉电阻，当引脚悬空时，还有上拉电阻来保证引脚的高电平，所以上拉输入又可以称作是默认为高电平的输入模式。

上拉电阻至VDD，下拉电阻至VSS，这个开关是可以通过程序进行配置的：

• 如果上边断开，下边开关关闭，为下拉模式，反之为上拉模式。
• 如果两个都断开，就是浮空输入模式

施密特触发器：

• 他的作用是对输入电压进行整形。
• 如果输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平。
• 如果输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平。

输入数据寄存器：

• 用程序读取输入数据寄存器对应某一位的数据，就可以知道端口的输入电平。

上面还有两路线路，这些就是连接到片上外设的一些端口：

• 模拟输入：连接到ADC上的，因为ADC需要接受模拟量，所以这根线是接到施密特触发器前面的。
• 复用功能输入：这个是连接到其他需要读取端口的外设上的，比如串口的输入引脚等，这根线接收的是数字量，所以在施密特触发器后面。

2、 GPIO工作模式

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置位以下8种输入输出模式：

（1）浮空输入

引脚内部既不接上拉电阻也不接下拉电阻，直接经施密特触发器输入I/O引脚的信号。可以读取到引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定。

（2）上拉输入（Input Pull-up）

引脚内部连接上拉电阻，通过开关连接到电源VDD，可读取引脚电平，引脚悬空默认为高电平。

（3）下拉输入（Input Pull-down）
与上拉输入模式相反，内部连接下拉电阻，引脚悬空默认为低电平。

（4）模拟输入

GPIO无效，引脚直接接入内部ADC，实现对外部信号的采集。

（5）开漏输出（Open-Drain，OD）

可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接Vss。

（6）推挽输出（Push-Pull，PP）

可输出引脚电平，高电平接VDD，低电平接Vss。

（7）复用开漏输出（AF-OD）

由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接Vss。

（8）复用推挽输出（AF-PP）

由片上外设控制，高电平为接VDD，低电平接Vss。

3、GPIO标准外设库接口函数

3.1 RCC接口函数

我们可以在Library文件中找到rcc.h这个文件，其中里面我们最常用到的就是红框内的3个函数：

	RCC APB外设时钟控制、RCC APB2外设时钟控制、RCC APB1外设时钟控制

其中上面常用的3个函数的操作方法都是一样的，第一个参数选择外设，第二个参数选择使能或失能。

3.2 GPIO接口函数

上图就是GPIO的全部库函数，其中红色方框内的函数用来实现读写GPIO口的功能，基本上常用的就是上面蓝色方框内的函数。

1.GPIO_DeInit，调用这个函数后，所指定的GPIO外设就会被复位。

2.GPIO_AFIODeInit，也是一样，可以复位AFIO外设。

3.GPIO_Init，用结构体的参数来初始化GPIO口。我们需要先定义一个结构体变量，然后再给结构体赋值，最后调用这个函数，这个函数内部就会自动读取结构体的值，然后自动把外设的各个参数配置好。这种Init函数在STM32中基本所有的外设都有，一般我们初始化外设都是使用这个Init函数来完成的。

4.GPIO_StructInit，这个函数可以把结构体变量赋一个默认值。

3.2.1 GPIO的读取函数

1.uint8_t GPIO_ReadInputDataBit，用来读取输入寄存器的某一个端口的输入值，参数是GPIOx和GPIO_Pin，用来指定某一个端口，返回值是uint8_t，代表这个端口的高低电平。

2.uint16_t GPIO_ReadInputData，读取整个输入寄存器，参数只有一个GPIOx，用来指定外设，返回值是uint16_t，一个16位的数据，每一位代表一个端口值。

3.uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit，读取输出寄存器的某一个位，因此他并不是用来读取端口的输入数据的，一般用于输出模式下，用来查询字节输出的是什么。

4uint16_t GPIO_ReadOutputData，用来读取整个输出寄存器。

总结来说：若想读取GPIO口的话，需要用到ReadIput的这两个函数；若在输出模式下，想要看一下现在输出了什么，才需要用到ReadOutput这两个函数。

3.2.1 GPIO的写入函数

1.GPIO_SetBits，可以把指定的端口设置为高电平。

2.GPIO_ResetBits，可以把指定的端口设置为低电平。

3.GPIO_WriteBit，这个函数有三个参数，前两个也是指定端口；第三个是BitValue，可以根据第三个参数的值来设置指定的端口。

4.GPIO_Write，第一个参数GPIOx选择外设；PortValue,这个函数可以同时对16个端口进行写入操作。

4、GPIO的初始化

操作STM32的GPIO总共需要3个步骤，涉及了RCC和GPIO两个外设：

• 使用RCC开启GPIO的时钟；
• 使用GPIO_Init函数初始化GPIO；
• 使用输入或输出函数控制GPIO口。

当我们需要控制一个LED的亮灭时，我们要先对GPIO端口进行初始化。

例如我们需要点亮PA0口的LED，首先新建一个LED.c的工程，用来存放LED驱动程序的主题代码，将我们所需要初始化的函数写入这个工程文件中。

首先我们需要调用的是RCC里面的APB2外设时钟控制函数：

跳转到定义后查看参数说明，他的第一个参数就应该为RCC_APB2Periph_GPIOA，第二个参数就为ENABLE，这样时钟就开启了。

接着调用GPIO_Init函数，跳转定义查询后可以写出第一个参数为GPIOA，第二个参数是一个结构体，我们先给第二个参数结构体重命名为GPIO_InitStructure，如下所示：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
void LED_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //开启时钟
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//配置端口模式
	
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
}

接着我们通过结构体成员操作符“.”来引出结构体成员，如下所示：

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = ;

接着再配置其中所需要的参数，最后的初始化代码如下：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
void LED_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //开启时钟
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//配置端口模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
}

当我们完成GPIO初始化后，写入主函数下载后就可以查看LED灯的变化。

上电后LED处于低电平状态，因此为常亮；若想上电为高电平，即LED熄灭的状态则在初始化函数后添加一个写入函数GPIO_SetBits即可。程序如下：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
void LED_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //开启时钟
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//配置端口模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
}