立创·天空星开发板-GD32F407VE-GPIO

本文以 立创·天空星开发板-GD32F407VET6-青春版 作为学习的板子，记录学习笔记。

立创·天空星开发板-GD32F407VE-GPIO

- 基础概念
- - 三极管
  - MOS管
- GPIO输出模式
- 输出线与
- GPIO输入模式
- GPIO点灯

基础概念

GPIO，全称为“通用输入/输出”（General Purpose Input/Output），是计算机系统中用于与外部世界进行数字通信的一种接口标准。
它允许硬件和软件通过电信号来交换数据，控制外部设备或接收外部事件。
GPIO通常用于连接各种外设，如按钮、LED灯、传感器、马达、继电器等，以便与计算机系统进行交互。GD32 支持的 GPIO 模式有如下八种：

模式	性质
浮空输入	数字输入
上拉输入	数字输入
下拉输入	数字输入
模拟输入	模拟输入
开漏输出	数字输出
推挽输出	数字输出
复用开漏输出	数字输出
复用推挽输出	数字输出

三极管

总是记混 NPN 和 PNP 这两种型号的三极管，如下图所示：

三极管原理图对比
特性描述：

电流关系: $I_E = I_B + I_C$
导通条件: NPN型的基极比发射极电压高0.7v，PNP型的基极比发射极电压低0.7v
设计原理图: 无论是 NPN 还是 NPN 型的三极管，耗电元器件都需要接在集电极

助记小技巧：

电路图中，箭头永远指向的 N 极，根据箭头可快速确认是 NPN 还是 PNP
电路图中，箭头对应的极比箭尾对应的极的电压要低

思维导图：

三极管思维导图

MOS管

MOS管有 NMOS 和 PMOS 两种类型。MOS管包含了三个极：

栅极（G），对应英文单词：Gate
漏极（D），对应英文单词：Drain
源极（S），对应英文单词：Source

MOS管的作用就是开关，通过栅极控制漏极和源极的导通。主要关注两个点：

控制：负责MOS管导通和截止，高电平导通还是低电平导通。
流向：是从漏极流向源极，还是从源极流向漏极。

MOS管和三级管主要区别：三极管导通有电流，而MOS管导通没有电流（有点像继电器）

一张图搞懂 MOS 管，如下所示：

如果 Input 为高电平，PMOS 断开，NMOS 导通，如果 GPIO_PIN_X 有上拉电阻，则电流可以顺利从 NMOS 的漏极（D）流向源极（S）。
如果 Input 为低电平，PMOS 导通，NMOS 断开，如果 GPIO_PIN_X 有下拉电阻，则电流可以顺利从 PMOS 的源极（S）流向漏极（D）。

特点描述：

PMOS 的栅极（G）低通高断，导通时，电流方向是源极（S）流向漏极（D）
PMOS 可以类比 PNP 类型的三极管
NMOS 的栅极（G）高通低断，导通时，电流方向是漏极（D）流向源极（S）
NMOS 可以类比 NPN 类型的三极管

思维导图：

MOS管思维导图

GPIO输出模式

推挽输出

【推】寄存器控制输出高电平时，过非门后变低电平，PMOS导通，外部引脚为高，电流流出

输出高电平

【挽】寄存器控制输出低电平时，过非门后变高电平，NMOS导通，外部引脚为低，电流流入

开漏输出

寄存器控制输出低电平时，过非门后变高电平，NMOS导通，外部引脚为低，电流流入

输出低电平

寄存器控制输出高电平时，因为PMOS未接入，所以外部引脚断开。

无法输出高电平

高阻态

因为 PMOS和 NMOS 均未接入，无论寄存器输出高或者低，外部引脚始终断开。

高阻态

复用开漏输出和复用推挽输出

不经过寄存器来输出高低电平，也就是下图中的 Alternate function output 部分

在这里插入图片描述

输出线与

推挽线与

推挽过程中，如果一方输出高，一方输出低，则会烧芯片。因此，推挽是不可以线与的。

推挽线与
2. 开漏线与

开漏过程中，无论双方输出高低电平，芯片都不会收到影响。I2C就是线与的一个实例。
开漏线与

GPIO输入模式

浮空输入

就是将模拟信号、上拉、下拉全部断开，只接收外部电路的输入信号。如下图红色线条所示：

上拉输入

过上拉电阻后，经由斯密特触发器，写入寄存器。如下图红色线条所示：
过斯密特后，也可做复用输入，不写入寄存器

下拉输入

过下拉电阻后，经由斯密特触发器，写入寄存器。如下图红色线条所示：
过斯密特后，可做复用输入，不写入寄存器

模拟输入

不经过斯密特触发器，直接读入。如下图红色线条所示：

模拟输入

GPIO点灯

我用 GPIO 封装了一个可以动态点亮多个 LED 的拓展驱动，针对 PD 端口, 可以动态增加 LED 灯的引脚。只需要修改 LED_PINS 数组的元素即可。

ExtendedLED.h

#ifndef __EXTENDED_LED_H__
#define __EXTENDED_LED_H__

#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"


#define LED_RCU  RCU_GPIOD
#define LED_PORT GPIOD
#ifndef BIT
#define BIT(x) ((uint16_t)((uint16_t)0x01U<<(x)))
#endif

// 声明需要针对的引脚, PDx(x=8...15)
static uint32_t LED_PINS[] = {
	BIT(8),  BIT(9),  BIT(10), BIT(11),
	BIT(12), BIT(13), BIT(14), BIT(15)
};


/*!
    \brief    初始化 LED
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_init();

/*!
    \brief    熄灭所有 LED 灯
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_turn_off_all();

/*!
    \brief    点亮所有 LED 灯
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_turn_on_all();

/*!
    \brief    熄灭 LED 灯
    \param[in]  index[int]: LED 灯在 LED_PINS 数组中的索引, -1 针对所有引脚
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_turn_off(int index);

/*!
    \brief    点亮 LED 灯
    \param[in]  index[int]: LED 灯在 LED_PINS 数组中的索引, -1 针对所有引脚
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_turn_on(int index);

/*!
    \brief    运行多个共阳 LED 灯
	示例: extended_led_run(0,  1, 1); 效果为：从第一个灯开始依次亮起, 切灯过程不熄灭其他灯[流水灯]
	示例: extended_led_run(0,  1, 0); 效果为：从第一个灯开始依次亮起, 切灯过程会熄灭其他灯[跑马灯]
	示例: extended_led_run(0,  2, 1); 效果为：按 0.2.4.6 顺序依次亮起, 切灯过程不熄灭其他灯[流水灯]
	示例: extended_led_run(1,  2, 0); 效果为：按 1.3.5.7 顺序依次亮起, 切灯过程会熄灭其他灯[跑马灯]
	示例: extended_led_run(6, -2, 1); 效果为：按 6.4.2.0 顺序依次亮起, 切灯过程不熄灭其他灯[流水灯]
	示例: extended_led_run(7, -2, 0); 效果为：按 7.5.3.1 顺序依次亮起, 切灯过程会熄灭其他灯[跑马灯]
    \param[in]  status  [uint16_t]:     表示灯的状态, 可选值有 (亮:0) 或 (灭:1)
    \param[in]  start   [uint32_t]:     表示从哪个灯开始亮, 可选值有 0...
    \param[in]  step    [int16_t] :     表示切灯的时候跨越步长, 可选值有 0...
    \param[in]  flowing [uint16_t]:     表示切灯的时候是否采用流水灯
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_run(uint16_t status, uint32_t start, int16_t step, uint16_t flowing);

#endif

ExtendedLED.c

#include "ExtendedLED.h"

// 获取 LED 灯的总数
static uint16_t pins_length(void) {
	return sizeof(LED_PINS) / sizeof(LED_PINS[0]);
}

// 获取所有引脚
static uint16_t pins_all(void) {
	int length = 0, i = 0;
	length = pins_length();
	uint16_t pin = (uint16_t)0x00U;
	
	for(i = 0; i < length; i++) {
		pin |= LED_PINS[i];
	}
	return pin;
}

/*!
    \brief    初始化 LED
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_init() {
    rcu_periph_clock_enable(LED_RCU);
    gpio_mode_set(LED_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, pins_all());
    gpio_output_options_set(LED_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_2MHZ, pins_all());
	gpio_bit_set(GPIOD, pins_all());
}

/*!
    \brief    熄灭所有 LED 灯
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_turn_off_all() { extended_led_turn_off(-1); }

/*!
    \brief    点亮所有 LED 灯
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_turn_on_all() { extended_led_turn_on(-1); }

/*!
    \brief    熄灭 LED 灯
    \param[in]  index[int]: LED 灯在 LED_PINS 数组中的索引, -1 针对所有引脚
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_turn_off(int index) {
	int length = pins_length();
	if (index >= length) {
		return;
	}
	if (index < 0) {
		gpio_bit_set(GPIOD, pins_all());   // 负数针对所有
		return;
	}
	gpio_bit_set(GPIOD, LED_PINS[index]);
}

/*!
    \brief    点亮 LED 灯
    \param[in]  index[int]: LED 灯在 LED_PINS 数组中的索引, -1 针对所有引脚
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_turn_on(int index) {
	int length = pins_length();
	if (index >= length) {
		return;
	}
	if (index < 0) {
		gpio_bit_reset(GPIOD, pins_all());   // 负数针对所有
		return;
	}
	gpio_bit_reset(GPIOD, LED_PINS[index]);

}

/*!
    \brief    运行多个共阳 LED 灯
	示例: extended_led_run(0,  1, 1); 效果为：从第一个灯开始依次亮起, 切灯过程不熄灭其他灯[流水灯]
	示例: extended_led_run(0,  1, 0); 效果为：从第一个灯开始依次亮起, 切灯过程会熄灭其他灯[跑马灯]
	示例: extended_led_run(0,  2, 1); 效果为：按 0.2.4.6 顺序依次亮起, 切灯过程不熄灭其他灯[流水灯]
	示例: extended_led_run(1,  2, 0); 效果为：按 1.3.5.7 顺序依次亮起, 切灯过程会熄灭其他灯[跑马灯]
	示例: extended_led_run(6, -2, 1); 效果为：按 6.4.2.0 顺序依次亮起, 切灯过程不熄灭其他灯[流水灯]
	示例: extended_led_run(7, -2, 0); 效果为：按 7.5.3.1 顺序依次亮起, 切灯过程会熄灭其他灯[跑马灯]
    \param[in]  status  [uint16_t]:     表示灯的状态, 可选值有 (亮:0) 或 (灭:1)
    \param[in]  start   [uint32_t]:     表示从哪个灯开始亮, 可选值有 0...
    \param[in]  step    [int16_t] :     表示切灯的时候跨越步长, 可选值有 0...
    \param[in]  flowing [uint16_t]:     表示切灯的时候是否采用流水灯
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void extended_led_run(uint16_t status, uint32_t start, int16_t step, uint16_t flowing) {
	int length = pins_length();
	int i = 0;
	if(start < 0 || start >= length) {
		start = 0;
	}
	if(start + step  >= length) {
		start = length - 1 - (step - 1);
	}
	
	for(i = start; i < length && i > -1; i += step) {
		if(status) {
			// 熄灭指定索引的灯
			extended_led_turn_off(i);
		} else {
			// 点亮指定索引的灯
			if(!flowing) {
				// 如果不是流水灯, 每次切灯之前都需要关掉所有灯
				extended_led_turn_off(-1);
				delay_1ms(200);
			}
			extended_led_turn_on(i);
		}
		delay_1ms(200);
	}
}

main.c

#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"
#include <stdio.h>

#include "ExtendedLED.h"

int main(void) {
    systick_config();
    
	extended_led_init();
	extended_led_run(0, 0,  1, 1);
	extended_led_run(1, 7, -1, 1);
	extended_led_run(0, 0,  1, 0);
	extended_led_turn_off_all();
	
    while(1) { }
}