stm32外设-GPIO

news2024/10/5 19:11:11

0. 写在最前

本栏目笔记都是基于stm32F10x

1. GPIO基本介绍

GPIO—general purpose intput output
是通用输入输出端口的简称，简单来说就是软件可控制的引脚， STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能

2. GPIO功能框图介绍

GPIO功能框图如下：

在这里插入图片描述

  1. 保护二极管及上、下拉电阻

引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于VDD 时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。尽管有这样的保护，并不意味着STM32的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。

  1. P-MOS 管和N-MOS 管

GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由P-MOS 和N-MOS管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。

  • 所谓的推挽输出模式，是根据这两个MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS 导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平;而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS 管导通，P-MOS 关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P管负责灌电流，N 管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为0伏，高电平为3.3伏，它是推挽输出模式时的等效电路。

  • 而在开漏输出模式时，上方的P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS 管关闭，N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为1 (它无法直接输出高电平)时，则P-MOS 管和N-MOS 管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0 伏。推挽输出模式一般应用在输出电平为0 和3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32 的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。

    开漏输出一般应用在I2C、SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5 伏，并且把GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5 伏的电平。

  1. 输出数据寄存器

前面提到的双MOS 管结构电路的输入信号， 是由GPIO“ 输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

  1. 复用功能输出

“复用功能输出”中的“复用”是指STM32 的其它片上外设对GPIO 引脚进行控制，此时GPIO 引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据据寄存器都连接到双MOS 管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。

例如我们使用USART 串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

  1. 输入数据寄存器

看GPIO 结构框图的上半部分，GPIO 引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1 的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

  1. 复用功能输入

与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO引脚的信号传输到STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。同样，如我们使用USART 串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO 引脚配置成USART 串口复用功能，使USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。

  1. 模拟输入输出

当GPIO 引脚用于ADC 采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1 两种状态，所以ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当GPIO 引脚用于DAC 作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC 的模拟信号输出就不经过双MOS 管结构，模拟信号直接输出到引脚。

3. GPIO工作模式

标准库中用枚举对象实现模型的选择,并在GPIO_Init函数传入结构体对寄存器进行操作：

typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0,
  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,
  GPIO_Mode_IPD = 0x28,
  GPIO_Mode_IPU = 0x48,
  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,
  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18
}GPIOMode_TypeDef;

输出模式:

在输出模式中，推挽模式时双MOS 管以轮流方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS 管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz\10MHz\50MHz 的选项。此处的输出速度即I/O 支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。

在输出模式时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O 的实际状态。

  • 推挽输出：GPIO可以输出高电平或低电平，驱动外部设备，如LED、蜂鸣器等。
  • 开漏输出：GPIO只能输出低电平，高电平由外部上拉电阻提供，适用于电平不匹配或多个设备共用一条线的场合，如IIC总线等。

输入模式：

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O 状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于ADC 采集。

  • 浮空输入：GPIO不连接任何元件，只接收外部信号，适用于信号源具有较强驱动能力的场合，如编码器、PWM捕获等。
  • 上拉输入：GPIO连接一个内部上拉电阻，使输入信号默认为高电平，适用于信号源具有较弱驱动能力的场合，如按键、UART接收等。
  • 下拉输入：GPIO连接一个内部下拉电阻，使输入信号默认为低电平。
  • 模拟输入：GPIO可以采集外部模拟信号，并转换为数字信号，适用于ADC转换等场合。

复用功能:

复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR 无效;输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。

  • 复用功能：GPIO可以配置为特定的功能引脚，如定时器、串口、SPI等外设的通道。
  • 模拟功能：GPIO可以关闭数字功能和内部寄存器，并作为纯粹的模拟引脚。

4. 寄存器介绍

每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL， GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。

4.1 GPIOx_CRL

在这里插入图片描述

GPIOx_CRL是一个32位的寄存器，用来配置GPIO端口的低8位（GPIOx0~GPIOx7）的工作模式。每4位对应一个引脚，分别设置其模式（MODE）和配置（CNF）。例如，要设置GPIOA0为推挽输出模式，输出频率为10MHz，可以写：

// 将GPIOA0的MODE[1:0]设为01，表示输出频率为10MHz
// 将GPIOA0的CNF[1:0]设为00，表示推挽输出模式
GPIOA->CRL &= 0xFFFFFFF0; // 清零低4位
GPIOA->CRL |= 0x00000001; // 设置低4位为0001

类似地，要设置GPIOA7为上拉输入模式，可以写：

// 将GPIOA7的MODE[1:0]设为00，表示输入模式
// 将GPIOA7的CNF[1:0]设为10，表示上拉输入模式
GPIOA->CRL &= 0x0FFFFFFF; // 清零高4位
GPIOA->CRL |= 0x80000000; // 设置高4位为1000

4.2 GPIOx_CRH

在这里插入图片描述

GPIOx_CRH是一个32位的寄存器，用来配置GPIO端口的高8位（GPIOx8~GPIOx15）的工作模式。它的结构和功能与GPIOx_CRL相同，只是对应的引脚不同。例如，要设置GPIOA8为开漏输出模式，输出频率为50MHz，可以写：

// 将GPIOA8的MODE[1:0]设为11，表示输出频率为50MHz
// 将GPIOA8的CNF[1:0]设为01，表示开漏输出模式
GPIOA->CRH &= 0xFFFFFFF0; // 清零低4位
GPIOA->CRH |= 0x00000007; // 设置低4位为0111

类似地，要设置GPIOA15为下拉输入模式，可以写：

// 将GPIOA15的MODE[1:0]设为00，表示输入模式
// 将GPIOA15的CNF[1:0]设为10，表示下拉输入模式
GPIOA->CRH &= 0x0FFFFFFF; // 清零高4位
GPIOA->CRH |= 0x80000000; // 设置高4位为1000

4.3 GPIOx_IDR

在这里插入图片描述

GPIOx_IDR是一个32位的寄存器，用来读取GPIO端口的输入电平状态。每一位对应一个引脚，0表示低电平，1表示高电平。例如，要读取GPIOA0的输入电平，可以写：

// 读取GPIOA->IDR的第0位，即GPIOA0的输入电平
uint8_t input = (GPIOA->IDR & 0x00000001) >> 0;

类似地，要读取GPIOA15的输入电平，可以写：

// 读取GPIOA->IDR的第15位，即GPIOA15的输入电平
uint8_t input = (GPIOA->IDR & 0x00008000) >> 15;

(GPIOA->IDR & 0x00008000) >>15是一个位运算表达式，用来提取GPIOA->IDR的第15位的值。它的含义是：

  • GPIOA->IDR是一个32位的寄存器，存储了GPIOA端口的输入电平状态，每一位对应一个引脚。
  • 0x00008000是一个16进制数，表示二进制的00000000 00000000 10000000 00000000。
  • &是按位与运算符，表示将两个操作数的每一位进行逻辑与运算，只有当两个操作数的同一位都为1时，结果才为1，否则为0。
  • >>是右移运算符，表示将左边的操作数向右移动指定的位数，左边空出的位置用0填充。
  • 15是右移运算符的右边操作数，表示移动15位。

所以(GPIOA->IDR & 0x00008000) >>15的计算过程如下：

  • 假设GPIOA->IDR的值为11111111 11111111 11111111 10101010（随机举例）。
  • 将GPIOA->IDR和0x00008000进行按位与运算，得到：
// 按位与运算
11111111 11111111 11111111 10101010
& // 按位与
00000000 00000000 10000000 00000000
= // 结果
------------------------------------
00000000 00000000 10000000 00101010
  • 将上一步得到的结果向右移动15位，得到：
// 右移运算
( // 左括号
    // 上一步得到的结果
    // 移动前：32个二进制数字（省略了前面28个）
    00000000 00000000 10000000 00101010
    // 移动后：32个二进制数字（省略了前面28个）
    00000000 00000000 00000000 00000001
) // 右括号
>> // 右移
15 // 移动15位（不变）
= // 结果
------------------------------------
... ...
  • 最终得到结果为：
// 最终结果：32个二进制数字（省略了前面31个）
... ...

因此(GPIOA->IDR & 0x8000) >>15就相当于读取GPIOA->IDR寄存器中第15位置上是否为1或者说是否为高电平。

4.4 GPIOx_ODR

在这里插入图片描述

GPIOx_ODR是端口输出数据寄存器，它的低16位对应x的相应引脚，用来设置或读取引脚的状态。例如，如果你想让GPIOE的第8个引脚输出高电平，你可以写

GPIOE->ODR |= 0x0100 // 0000000100000000

4.5 GPIOx_BSRR

在这里插入图片描述

GPIOx_BSRR是端口位设置/复位寄存器，它的高16位是清除位，用来复位对应的引脚;低16位是设置位，用来设置对应的引脚。这样可以保证操作某个端口时对其他端口无影响。例如，如果你想让GPIOE的第8个引脚输出高电平，你可以写

GPIOE->BSRR = 0x0100;

4.6 GPIOx_BRR

在这里插入图片描述

GPIOx_BRR是端口位清除寄存器，它的低16位对应x的相应引脚，用来复位对应的引脚。例如，如果你想让GPIOE的第8个引脚输出低电平，你可以写GPIOE->BRR = 0x0100。它与GPIOx_BSRR的高16位具有相同功能

4.7 GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR异同

既然GPIOx_BSRR都可以做复位操作，那么它们有什么不同呢？

  • GPIOx_BRR和GPIOx_BSRR都可以用来控制GPIO的输出，但是有一些区别GPIOx_BRR只有低16位有效，而GPIOx_BSRR有高16位和低16

  • GPIOx_BRR的低16位是复位操作，而GPIOx_BSRR的高16位是复位操作，低16位是设置操作

  • GPIOx_BRR和GPIOx_BSRR的优先级相同，如果同时写入两个寄存器，那么复位操作会覆盖设置操作

4.8 GPIOx_BSRR和GPIOx_ODR

GPIOx_BSRR和GPIOx_ODR都可以用来控制GPIO的输出，但是有一些区别

  • GPIOx_BSRR可以单独设置或复位某个引脚，而GPIOx_ODR需要对整个端口进行读写操作
  • GPIOx_BSRR是原子操作，不会影响其他引脚的状态，而GPIOx_ODR可能会产生竞争条件
  • GPIOx_BSRR有高16位和低16位，分别对应复位和设置操作，而GPIOx_ODR只有低16位有效

一般来说，如果你需要对单个引脚进行快速和安全的控制，那么GPIOx_BSRR可能更合适；如果你需要对整个端口进行统一的控制，那么GPIOx_ODR可能更方便。

5. 标准库常用函数

  • GPIO_DeInit()：复位GPIO端口的所有引脚为默认状态。
  • GPIO_Init()：初始化GPIO端口的某个或多个引脚。
  • GPIO_StructInit()：将GPIO_InitTypeDef结构体的成员初始化为默认值。
  • GPIO_ReadInputDataBit()：读取GPIO端口的某个输入引脚的状态。
  • GPIO_ReadInputData()：读取GPIO端口的所有输入引脚的状态。
  • GPIO_ReadOutputDataBit()：读取GPIO端口的某个输出引脚的状态。
  • GPIO_ReadOutputData()：读取GPIO端口的所有输出引脚的状态。
  • GPIO_SetBits()：设置GPIO端口的某个或多个输出引脚为高电平。
  • GPIO_ResetBits()：设置GPIO端口的某个或多个输出引脚为低电平。
  • GPIO_WriteBit()：设置GPIO端口的某个输出引脚为指定电平。
  • GPIO_Write()：设置GPIO端口的所有输出引脚为指定电平。
void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef* GPIOx);
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

6. 写在最后

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