STM32F4 | GPIO工作原理和配置 | GPIO库函数

文章目录

- 一、GPIO基础知识
- - 1.GPIO是什么？
  - 2.引脚和GPIO的区别和联系？
  - 3.绝多数引脚都是GPIO，有限的引脚怎么实现更多的功能？
  - 4. 怎么知道具体的芯片外设资源?
  - 5.怎么查看GPIO引脚功能？
- 二、GPIO的8种工作模式
- 三、GPIO寄存器
- - 1.端口模式寄存器(GPIOx_MODER)
  - 2.端口输出类型寄存器(GPIOx_OTYPER)
  - 3.端口输出速度寄存器(GPIOx_OSPEEDR)
  - 4.端口上拉/下拉寄存器(GPIOx_PUPDR)
  - 5.端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)
  - 6.端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR)
  - 7.端口置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)
  - 8.端口配置锁定寄存器(GPIOx_LCKR)
  - 9.复用功能寄存器(GPIOx_AFRL、AFRH)
- 四、GPIO常用库函数
- 五、配置HAL库操作IO口步骤

一、GPIO基础知识

1.GPIO是什么？

GPIO的全称是general purpose intput output。它是通用输入输出端口。既可以做输入也可以做输出。GPIO端口可通过程序配置成输入或者输出。

2.引脚和GPIO的区别和联系？

STM32F4的引脚中，有部分是做GPIO使用，部分是电源引脚/复位引脚/启动模式引脚/晶振引脚/调试下载引脚。
在这里插入图片描述

一共有9组IO: PA~PI，其中PA~PH 每组16个IO，PI只有PI0~PI11，一共有140个IO口：16*8+12=140

STM32F4中约有140个引脚可做IO口使用，还有36个引脚可做电源引脚/复位引脚/启动模式引脚/晶振引脚/调试下载引脚等

3.绝多数引脚都是GPIO，有限的引脚怎么实现更多的功能？

STM32的大部分引脚除了当GPIO使用外，还可以复用为外设功能引脚（比如串口）。一个引脚，可以作为IO口，同时也可以作为复用功能外设引脚。
复用的原理 可以用图像抽象如下：在这里插入图片描述
通过开关控制引脚组，可以大大节省IO口资源。

4. 怎么知道具体的芯片外设资源?

可以通过查找ST MCU选型手册来查找。
在这里插入图片描述

5.怎么查看GPIO引脚功能？

每个STM32芯片的芯片数据手册（例如：STM32F429IGT6.pdf）都会提供引脚功能描述，如下表。
在这里插入图片描述
其中的FT标识表示该IO口可以5V容忍。

二、GPIO的8种工作模式

GPIO有8种工作模式：

4种输入模式
- 输入浮空
  
  IO口电平直接进入TTL施密特触发器（上拉与下拉均没有起作用），然后到达输入数据寄存器，这样CPU可以通过输入数据寄存器来读取IO口的状态
- 输入上拉
  
  输入上拉与输入浮空的区别就是上拉会起作用。
- 输入下拉
  
  输入下拉与输入浮空的区别就是下拉会起作用。
- 模拟输入
  
  IO口电平直接进入模拟通道，ADC控制单元采集电压信号，CPU读取ADC控制单元相关的寄存器来读取模拟信号并且转化为数字信号（不是CPU转换的，而是ADC控制单元转换的）。
4种输出模式（带上下拉）
- 开漏输出（带上拉或者下拉）
  
  只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极. 要得到高电平状态需要上拉电阻才行. 适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强
- 开漏复用功能（带上拉或者下拉）
  
  复用功能输出连接的片上的外设模块，CPU控制外设控制模块。
- 推挽式输出（带上拉或者下拉）
  
  设置IO口输出为1，则为高电平；设置IO口输出为0，则为低电平。可以输出强高低电平，连接数字器件。
- 推挽式复用功能（带上拉或者下拉）

GPIO可以配置4种最大输出速度：

2MHz低速
25MHz中速
50MHz快速
100MHz高速

上电复位后，GPIO默认为输入浮空状态，部分特殊功能引脚为特定状态。复位后，调试引脚处于复用功能上拉/下拉状态：

PA15：JTDI处于上拉状态
PA14:JTCK/SWCLK处于下拉状态
PA13:JTMS/SWDAT处于下拉状态
PB4:NJTRST处于上拉状态
PB3:JTDO处于浮空状态

三、GPIO寄存器

STM32F4 每组通用 I/O 端口包括 4 个 32 位配置寄存器（MODER、OTYPER、OSPEEDR 和 PUPDR）、2 个 32 位数据寄存器（IDR 和 ODR）、1 个 32 位置位/复位寄存器 (BSRR)、1 个 32 位锁定寄存器 (LCKR) 和 2 个 32 位复用功能选择寄存器（AFRH 和 AFRL）等。这样，STM32F4 每组 IO 有 10 个 32 位寄存器控制，其中常用的有 4 个配置寄存器+2 个数据寄存器+2 个复用功能选择寄存器，共 8 个。接下来我们详细介绍 IO 配置常用的 8 个寄存器： MODER、OTYPER、OSPEEDR、PUPDR、ODR、IDR 、AFRH 和 AFRL。同时讲解对应的 HAL 库配置方法。
重点说明：

每组IO口由10个寄存器组成，如果芯片有GPIOA~GPIOI 9个组，那么一共有对应9X10=90个寄存器。
如果配置一个IO口需要2个位，那么刚好32位寄存器配置一组IO口（16个IO口）
如果配置一个IO口只需要1个位，一般高16位保留
BSRR寄存器32位分为低16位BSRRL和高16位BSRRH，BSRRL配置一组IO口的16个IO口的置位状态（1），BSRRH配置复位状态（0）

1.端口模式寄存器(GPIOx_MODER)

该寄存器是 GPIO 端口模式控制寄存器，用于控制 GPIOx的工作模式，
在这里插入图片描述
该寄存器各位在复位后，一般都是 0（个别不是 0，比如 JTAG 占用的几个 IO 口），也就是默认条件下一般是输入状态的。每组 IO 下有 16 个 IO 口，该寄存器共 32 位，每 2 个位控制 1个 IO。

2.端口输出类型寄存器(GPIOx_OTYPER)

该寄存器用于控制 GPIOx 的输出类型
在这里插入图片描述
该寄存器仅用于输出模式，在输入模式（MODER[1:0]=00/11 时）下不起作用。该寄存器低 16 位有效，每一个位控制一个 IO 口。设置为 0 是推挽输出，设置为 1 是开漏输出。复位后，该寄存器值均为 0，也就是在输出模式下 IO 口默认为推挽输出。

3.端口输出速度寄存器(GPIOx_OSPEEDR)

该寄存器用于控制 GPIOx 的输出速度，
在这里插入图片描述
该寄存器也仅用于输出模式，在输入模式（MODER[1:0]=00/11 时）下不起作用。该寄存器每 2 个位控制一个 IO 口，复位后，该寄存器值一般为 0。

4.端口上拉/下拉寄存器(GPIOx_PUPDR)

该寄存器用于控制 GPIOx 的上拉/下拉，
在这里插入图片描述
该寄存器每 2 个位控制一个 IO 口，用于设置上下拉，STM32F4 则由单独的寄存器PUPDR控制上下拉，使用起来更加灵活。
复位后，该寄存器值一般为 0。
前面，我们讲解了 4 个重要的配置寄存器。顾名思义，配置寄存器就是用来配置 GPIO 的相关模式和状态，接下来，分析怎么在 HAL 库中初始化 GPIO 配置。
GPIO 相关的函数和定义分布在 HAL 库文件 stm32f4xx_hal_gpio.c 和头文件stm32f4xx_hal_gpio.h 文件中。在 HAL 库中，操作四个配置寄存器初始化 GPIO 是通过 HAL_GPIO_Init 函数完成：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);

该函数有两个参数，第一个参数是用来指定需要初始化的 GPIO 对应的 GPIO 组，取值范围为 GPIOA~GPIOK。第二个参数为初始化参数结构体指针，结构体类型为 GPIO_InitTypeDef。下面我们看看这个结构体的定义：

typedef struct
{
	uint32_t Pin; //指定 IO 口
	uint32_t Mode; //模式设置
	uint32_t Pull; //上下拉设置
	uint32_t Speed; //速度设置
	uint32_t Alternate;//复用映射配置
} GPIO_InitTypeDef;

初始化 GPIO 的常用格式是：

GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_0; //PB0
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH; //高速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);

设置 PB0 端口为推挽输出模式，输出速度为高速，上拉。从上面初始化代码可以看出，结构体 GPIO_Initure 的第一个成员变量 Pin 用来设置是要初始化哪个或者哪些 IO 口。第二个成员变量 Mode 是用来设置对应 IO 端口的输出输入端口模式，这个变量实际配置的是 GPIOx 的 MODER 寄存器。第三个成员变量 Pull 是用来设置上拉还是下拉，配置的是 GPIOx PUPDR 寄存器。第四个成员变量 Speed 用来设置输出速度，配置的是 GPIOx OSPEEDR 寄存器。第五个成员变量 Alternate，它是用来设置引脚的复用映射的。

5.端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)

该寄存器用于读取 GPIOx 的输入数据，
在这里插入图片描述
该寄存器用于读取某个 IO 的电平，如果对应的位为0(IDRy=0)，则说明该 IO 输入的是低电平，如果是 1(IDRy=1)，则表示输入的是高电平。HAL 库操作该寄存器读取 IO 输入数据相关函数：

GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

该函数用来读取一组IO下一个或者多个IO口电平状态。比如我们要读取GPIOF.5的输入电平，方法为：

HAL_GPIO_ReadPin(GPIOF, GPIO_PIN_5);//读取 PF5 的输入电平

该函数返回值就是 IO 口电平状态。

6.端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR)

该寄存器用于控制 GPIOx 的输出电平，
在这里插入图片描述
该寄存器用于设置某个 IO 输出低电平(ODRy=0)还是高电平(ODRy=1)，该寄存器也仅在输出模式下有效，在输入模式（MODER[1:0]=00/11 时）下不起作用。该寄存器在 HAL 库中使用不多，操作这个寄存器的库函数主要是 HAL_GPIO_TogglePin 函数：

void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

该函数是通过操作 ODR 寄存器，达到取反 IO 口输出电平的功能。

7.端口置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)

该寄存器和 ODR寄存器具有类似的作用，都可以用来设置 GPIO 端口的输出位是 1 还是 0。
在这里插入图片描述
对于低 16 位（0-15），我们往相应的位写 1，那么对应的 IO 口会输出高电平，往相应的位写 0，对 IO 口没有任何影响。高 16 位（16-31）作用刚好相反，对相应的位写 1 会输出低电平，写 0 没有任何影响。也就是说，对于 BSRR 寄存器，你写 0 的话，对 IO 口电平是没有任何影响的。我们要设置某个 IO 口电平，只需要相关位设置为 1 即可。而 ODR 寄存器，我们要设置某个 IO口电平，我们首先需要读出来 ODR 寄存器的值，然后对整个 ODR 寄存器重新赋值来达到设置某个或者某些 IO 口的目的，而 BSRR 寄存器，我们就不需要先读，而是直接设置即可，这在多任务实时操作系统中作用很大。
BSRR 寄存器使用方法如下：

GPIOA->BSRR=1<<1; //设置 GPIOA.1 为高电平
GPIOA->BSRR=1<<（16+1）//设置 GPIOA.1 为低电平;

库函数操作 BSRR 寄存器来设置 IO 电平的函数为：

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);

该函数用来设置一组 IO 口中的一个或者多个 IO 口的电平状态。比如我们要设置 GPIOB.5 输出高，方法为：

HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET); //GPIOB.5 输出高

设置 GPIOB.5 输出低电平，方法为：

HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); //GPIOB.5 输出低

8.端口配置锁定寄存器(GPIOx_LCKR)

在这里插入图片描述

9.复用功能寄存器(GPIOx_AFRL、AFRH)

分高位AFRH和低位AFRL，分别控制8个IO口。这两个寄存器是用来设置 IO 口的复用功能的。实际上，在我们调用函数 HAL_GPIO_Init 的时候，如果我们设置了初始化结构体成员变量 Mode 为复用模式，同时设置了 Alternate 的值，那么会在该函数内部自动设置这两个寄存器的值，达到设置端口复用映射的目的。
在这里插入图片描述

四、GPIO常用库函数

初始化函数：HAL_GPIO_Init

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef  *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);

作用：初始化一个或者多个IO口（同一组）的工作模式，输出类型，速度以及上下拉方式。
GPIO_Init函数初始化样例：

GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
 
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1; //PB1,0
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  //推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;          //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;     //高速
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);

读取输入电平函数：HAL_GPIO_ReadPin
```
 GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
```
作用：读取某个GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。

设置输出电平函数：HAL_GPIO_WritePin

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);

电平翻转函数：HAL_GPIO_TogglePin

void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

引脚电平锁定函数：HAL_GPIO_LockPin

HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

外部中断相关函数

五、配置HAL库操作IO口步骤

初始化HAL库：HAL_Init();
初始化系统时钟：Stm32_Clock_Init( );
使能IO口时钟。
操作寄存器：配置IO口时钟使能寄存器: RCC->AHB1ENR
HAL库方法：__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
初始化IO口模式。
操作寄存器：GPIOx_MODER OTYPER OSPEEDR PUPDR
HAL库方法：HAL_GPIO_Init();
操作IO口，输出高低电平。
操作寄存器：配置寄存器GPIOX_ODR或者GPIOx_BSRR 。
HAL库方法：HAL_GPIO_WritePin();