四、GD32 MCU 常见外设介绍 (2) GPIO 模块介绍

2.GPIO 模块介绍

GPIO的全称为通用输入输出口，是很多外设能够正常工作的必要条件。除了一些特定功能的引脚(如电源脚)外，MCU上其他的引脚都可以当做GPIO来使用。本章，我们将对GPIO进行简单介绍，并通过一个“流水灯”的实验来熟悉GPIO的工作模式。

2.1.GPIO 基础知识

GD32系列MCU的GPIO口是以“组”的形式工作，命名方式为PX(X=A,B,C,D,E···)，每组配置有16个pin脚。每个pin脚都可由软件配置为输出(推挽或开漏)、输入、外设备用功能或者模拟模式。每个 GPIO 引脚都可以配置为上拉、下拉或浮空。除模拟模式外，所有的 GPIO 引脚都具备大电流驱动能力。

GPIO的主要特性

◼ 输入/输出方向控制；

◼ 施密特触发器输入功能使能控制；

◼ 每个引脚都具有弱上拉/下拉功能；

◼ 推挽/开漏输出使能控制；

◼ 置位/复位输出使能；

◼ 可编程触发沿的外部中断—使用EXTI配置寄存器;

◼ 模拟输入/输出配置；

◼ 备用功能输入/输出配置；

◼ 端口锁定配置；

◼ 单周期输出翻转功能；

GPIO结构框图

如图所示为标准I/O端口位的基本结构图。

GPIO引脚配置

在复位期间或复位之后，备用功能并未激活，所有GPIO端口都被配置成输入浮空模式，这种输入模式禁用上拉(PU)/下拉(PD)电阻。用户可通过软件配置GPIO为输入或输出模式。当 GPIO引脚配置为输入引脚时，所有的GPIO引脚内部都有一个可选择的弱上拉和弱下拉电阻。当GPIO引脚配置为输出引脚，用户可以配置端口的输出速度和选择输出驱动模式：推挽或开漏模式。

输入配置

当GPIO引脚配置为输入时：

◼ 施密特触发输入使能；

◼ 可选择的弱上拉和下拉电阻；

◼ 当前I/O引脚上的数据在每个APB2时钟周期都会被采样并存入端口输入状态寄存器；

◼ 输出缓冲器禁用。如图为输入配置是I/O引脚的输入配置。

输出配置

当GPIO引脚配置为输出时：

◼ 施密特触发输入使能；

◼ 弱上拉和下拉电阻禁用；

◼ 输出缓冲器使能；

◼ 开漏模式：输出控制寄存器设置为“0”时，相应引脚输出低电平；输出控制寄存器设置为“1”，相应管脚处于高阻状态；

◼ 推挽模式：输出控制寄存器设置为“0”时，相应引脚输出低电平；输出控制寄存器设置为“1”，相应引脚输出高电平；

◼ 对端口输出控制寄存器进行读操作，将返回上次写入的值；

◼ 对端口输入状态寄存器进行读操作，将获得当前I/O口的状态。

如图为I/O端口的输出配置

模拟配置

当GPIO引脚配置为模拟模式时：

◼ 弱上拉和下拉电阻禁用；

◼ 输出缓冲器禁用；

◼ 施密特触发输入禁用；

◼ 端口输入状态寄存器相应位为“0”。

如图为I/O端口的输出配置

2.2.备用功能（AF）

除了用作通用 IO 口以外，所有的 GPIO 都有备用功能。

对于 GD32F10x/20x/30x/403/E10x/E50x/A501/VF103 系列 MCU,用户可通过软件将某一个 GPIO配置为复用模式，然后再使能相应外设即可使用 IO 对应的复用功能。

对于 GD32F1x0/3x0/4xx/E23x/A501 系列 MCU，用户可通过软件将某一个 GPIO 配置为复用模式，同时还需要设置 GPIO 备用功能选择寄存器选择 16 个备用功能中的一个。以 GD32F130 为例，说下具体的配置流程。

(1) 设置 GPIO 模式 gpio_mode_setgpio_mode_set函数原型为：

void gpio_mode_set(uint32_t gpio_periph, uint32_t mode, uint32_t pull_up_down, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形参gpio_periph为需要设置的GPIO口组，其对应的实参为GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形参mode为需要设置的GPIO模式，对应的实参为：

GPIO_MODE_INPUT(输入模式)
GPIO_MODE_OUTPUT(输出模式)
GPIO_MODE_AF(复用模式)
GPIO_MODE_ANALOG(模拟模式)

形参pull_up_down为GPIO的上下拉设置，对应的实参为：

GPIO_PUPD_NONE(无上下拉)
GPIO_PUPD_PULLUP(上拉)
GPIO_PUPD_PULLDOWN(下拉)

形参pin为pin脚号，实参为GPIO_PIN_x(x=0..15)。

(2) 设置 AF 类型 gpio_af_set

当需要将GPIO设置为复用模式时，除了调用gpio_mode_se设置GPIO模式外，还需要调用函数gpio_af_set进行复用类型的设置。gpio_af_set函数原型为：

void gpio_mode_set(uint32_t gpio_periph, uint32_t alt_func_num, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形参gpio_periph为需要设置的GPIO口组，其对应的实参为GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形参alt_func_num为需要设置复用类型，对应的实参为：

GPIO_AF_0(复用类型0)
GPIO_AF_1(复用类型1)
GPIO_AF_2(复用类型2)
GPIO_AF_3(复用类型3)
GPIO_AF_4(复用类型4)
GPIO_AF_5(复用类型5)
GPIO_AF_6(复用类型6)
GPIO_AF_7(复用类型7)

F1x0、F3x0、F4xx(F405\F407\F450)、E23x系列MCU的GPIO的复用类型可以从对应MCU的 Datasheet中查得，如GD32F130系列的复用类型表如下图(部分截图)：

形参pin为pin脚号，实参为GPIO_PIN_x(x=0..15)。

根据以上介绍，如设置PA0为复用模式，且设置功能为USART0_CTS功能，函数调用如下：

gpio_mode_set(GPIOA,GPIO_MODE_AF,GPIO_PUPD_NONE,GPIO_PIN_0)；
gpio_af_set (GPIOA,GPIO_AF_1,GPIO_PIN_0);

2.3.I/O 重映射功能

本节内容只适用于GD32F10x/30x/403/E103/E50x/A501/VF103系列MCU。

介绍

为了扩展 GPIO 的灵活性或外设功能使用，通过配置 AFIO 端口配置寄存器（AFIO_PCF0/AFIO_PCF1），每个I/O引脚都可以配置多达4种不同的功能。通过使用外设 IO 的重映射功能可以选择合适的引脚另外，通过配置相应的EXTI源选择寄存器（AFIO_EXTISSx）选择触发中断或事件，GPIO引脚可以用作EXTI中断线。

主要特性

◼ EXTI 源选择

◼ 每个引脚具有多达4种备用功能的配置外设重映射配置以GD32F30x的USART0 AF重映射来说明重映射配置。

由上表可看出，当 USART0_REMAP = 0 时，USART0_TX 和USART0_RX 功能映射在 PA9 、 PA10 上，而当 USART0_REMAP = 1 时，USART0_TX和USART0_RX功能映射在PB6、PB7上。

其他外设端口重映射或其他系列MCU重映射表，请参考各系列MCU的User Manual。

JTAG/SWD 备用功能重映射

调试接口信号映射在 GPIO 端口的情况下表所示。

为了减少用于调试的 GPIO 端口，用户可以配置 AFIO_PCF0 寄存器中的 SWJ_CFG [2:0]位为不同的值。具体情况参照下表调试端口映射。

注意：当JTAG或SWD定义的IO口被用户设置为其他功能时，需要根据此表将JTAG或SWD功能关闭，否则可能会出现MCU无法运行的情况。

2.4.硬件连接说明

本章以一个“流水灯”的实验来熟悉GPIO的工作模式。

“流水灯”实验硬件连接图

如实验硬件连接图所示，LED2、LED3通过470Ω电阻和MCU的PF0、PF1连接，另一端接GND，可通过配置PF0、PF1的输出电平，来达到控制LED2、LED3亮灭的目的。

读者可以根据典型硬件连接图和相应系列的Datasheet设计出自己的硬件连接方式。

2.5.软件配置说明

本小节讲解GPIO_Example例程中GPIO的配置说明，主要包括外设时钟配置、GPIO引脚配置、主函数介绍以及运行结果。

软件设计的流程如下：

(1) 使能GPIOF时钟

(2) 初始化PF0和PF1，将这两个引脚配置为推挽输出

(3) 通过调用库函数配置PF0和PF1的电平，再通过一些延时处理，使LED2和LED3交替点亮，以实现流水灯

外设时钟配置

外设时钟配置如代码清单GPIO例程时钟配置所示，在GD32全系列MCU中需打开GPIOF时钟。

void rcu_config(void)
{
/* enable the led clock */
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOF);
}

GPIO 引脚配置

代码清单 0-9.GPIO 例程引脚配置

void gpio_config(void)
{
/* configure led GPIO port */ 
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X 
gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_0);
gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_1);
#elif GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X
gpio_mode_set(GPIOF,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_NONE,GPIO_PIN_0);
gpio_mode_set(GPIOF,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_NONE,GPIO_PIN_1);
gpio_output_options_set(GPIOF,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_0);
gpio_output_options_set(GPIOF,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_1);
#endif
}

如代码清单GPIO例程引脚配置，GD32F10X、GD32F30X、GD32F20X、GD32E10X系列GPIO配置为推挽输出相同，调用gpio_init函数(由标准库提供)即可，此函数原型为：

void gpio_init(uint32_t gpio_periph, uint32_t mode, uint32_t speed, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形参gpio_periph为需要设置的GPIO口组，其对应的实参为GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形参mode为需要设置的GPIO模式，对应的实参为：

GPIO_MODE_AIN(模拟输入)
GPIO_MODE_IN_FLOATING(浮空输入)
GPIO_MODE_IPD(下拉输入)
GPIO_MODE_IPU(上拉输入)
GPIO_MODE_OUT_OD(开漏输出)
GPIO_MODE_OUT_PP(推挽输出)
GPIO_MODE_AF_OD(复用开漏输出)
GPIO_MODE_AF_PP(复用推挽输出)

形参speed为GPIO的速度设置，对应的实参为：

GPIO_OSPEED_2MHZ
GPIO_OSPEED_10MHZ
GPIO_OSPEED_50MHZ
GPIO_OSPEED_MAX(只有部分系列 MCU 的 GPIO 支持大于 50MHz)

形参pin为pin脚号，实参为GPIO_PIN_x(x=0..15)。

实际上GPIO的速度设置只在设置为输出模式下才有效，输入模式下是无效的。

如代码清单GPIO例程引脚配置，F1x0、F4xx、F3x0、E23x系列GPIO配置为推挽输出相同，需调用gpio_mode_set和gpio_output_options_set函数。

(1) gpio_mode_set函数

gpio_mode_set函数原型为：

void gpio_mode_set(uint32_t gpio_periph, uint32_t mode, uint32_t pull_up_down, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形参gpio_periph为需要设置的GPIO口组，其对应的实参为GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形参mode为需要设置的GPIO模式，对应的实参为：

GPIO_MODE_INPUT(输入模式)
GPIO_MODE_OUTPUT(输出模式)
GPIO_MODE_AF(复用模式)
GPIO_MODE_ANALOG(模拟模式)

形参pull_up_down为GPIO的上下拉设置，对应的实参为：

GPIO_PUPD_NONE(无上下拉)
GPIO_PUPD_PULLUP(上拉)
GPIO_PUPD_PULLDOWN(下拉)

形参pin为pin脚号，实参为GPIO_PIN_x(x=0..15)。

(2) gpio_output_options_set函数

当需要将GPIO设置为输出模式时，除了调用gpio_mode_set设置GPIO模式外，还需要调用函数gpio_output_options_set进行GPIO的速度及输出类型的设置。gpio_output_options_set函数原型为：

void gpio_output_options_set(uint32_t gpio_periph, uint8_t otype, uint32_t speed, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形参gpio_periph为需要设置的GPIO口组，其对应的实参为GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形参otype为需要设置的GPIO输出类型，对应的实参为：

GPIO_OTYPE_PP(推挽模式)
GPIO_OTYPE_OD(开漏模式)

形参speed为引脚速度，实参为：

GPIO_OSPEED_2MHZ
GPIO_OSPEED_10MHZ
GPIO_OSPEED_50MHZ
GPIO_OSPEED_MAX(只有部分系列 MCU 的 GPIO 支持大于 50MHz)

形参pin为pin脚号，实参为GPIO_PIN_x(x=0..15)。

主函数说明

代码清单 GPIO 例程主函数

int main(void)
{
systick_config();
rcu_config();
gpio_config();
GPIO_BC(GPIOF) = GPIO_PIN_0;
GPIO_BC(GPIOF) = GPIO_PIN_1;
while(1){
 /* turn on led2, turn off led3 */
GPIO_BC(GPIOF) = GPIO_PIN_0;
GPIO_BOP(GPIOF) = GPIO_PIN_1;
delay_1ms(1000);
/* turn on led3, turn off led2 */
GPIO_BC(GPIOF) = GPIO_PIN_1;
GPIO_BOP(GPIOF) = GPIO_PIN_0;
delay_1ms(1000);
 }
}

如代码清单 GPIO 例程主函数，该主函数主要分成四部分，systick 配置、RCU 时钟配置、GPIO 配置和 while(1)主循环，其中 systick 配置用于产生延时，while(1)主循环通过控制相应 GPIO 的 BC 和 BOP 寄存器来控制 GPIO 的输出电平。

运行结果