明解STM32—GPIO理论基础知识篇之寄存器原理

news2024/11/25 16:04:22

一、前言

在之前的STM32的GPIO理论基础知识中，分别对基本结构和工作模式进行了详细的介绍。GPIO基本结构中主要对GPIO内部的各个功能电路逐一的进行的分析；GPIO工作模式中主要介绍GPIO应用在不同的使用场景下，GPIO端口的静态特征配置和动态的工作模式，同时对信号的工作流进行了分析。

这一篇主要对GPIO模块使用到的寄存器进行详细的分析介绍，适当了解GPIO寄存器的相关知识，可以对GPIO最底层的一些配置和工作原理有更好的认识，有助于加深对GPIO基本结构及工作模式的理解，同时对后续介绍到的GPIO在应用设计中有较好的帮助。

二、寄存器概述

图1为STM32的GPIO模块中寄存器的概述，总共有5种类型的寄存器。这里需要了解的是GPIO模块的port和pin的概念。其中寄存器名称中GPIOx的x表示不同的GPIO端口port，比如STM32芯片支持的port可以从A到I，GPIOA，GPIOB就表示了不同的端口；pin就是不同的port下支持的引脚，比如GPIOA下的引脚数从pin0到pin15。因此port就是pin的集合，不同的port都有它自己的如下图列出来的寄存器。

图1 GPIO寄存器概述

三、寄存器详述

本节对寄存器位、寄存器偏移地址、复位值、寄存器功能定义进行介绍。可通过字节（8 位）、半字（16 位）或字（32 位）对 GPIO 寄存器进行访问。

（1）端口模式寄存器GPIOx_MODER

本寄存器的功能为设置GPIO端口的方向和模式，总共0到32位，每两位就是该port下的pin值，例如将GPIOA_MODER的MODER0[1:0]配置为00，就是将GPIOA的pin0管脚功能配置为输入类型的管脚，将GPIOA_MODER的MODER1[1:0]配置为00，就是将GPIOA的pin1管脚功能配置为输入类型的管脚，以此类推。

图2 GPIOx_MODER寄存器定义

（2）端口输出类型寄存器GPIOx_OTYPER

本寄存器设置GPIO端口的输出类型，前提是该端口中的pin已经配置成输出功能。该寄存器只有0到15位有效，每一位就是对应的pin值，例如将GPIOA_OTYPER的OT0设置为1，就是将GPIOA的pin0管脚设置为输出开漏的类型。

图3 GPIOx_OTYPER寄存器定义

（3）端口输出速度寄存器GPIOx_OSPEEDR

本寄存器设置GPIO的输出速度频率，前提是该端口中的pin已经应用作为输出功能管脚。

这个速度是指输出驱动电路的响应速度：（芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路，通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。可理解为输出驱动电路的带宽：即一个驱动电路可以不失真地通过信号的最大频率。

速度高的IO耗电大、噪声也大，速度低的IO耗电小、噪声也小。使用合适的速度可以降低功耗和噪声。高频的驱动电路，噪声也高，当不需要高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI性能，也可以降低功耗。当然如果要输出较高频率的信号，但却选用了较低频率的速度，很可能会得到失真的输出信号。关键是GPIO的引脚速度跟应用匹配。

比如：

①USART串口，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就够了，既省电也噪声小。

②I2C接口，若使用400k波特率，若想把余量留大些，可以选用10M的GPIO引脚速度。

③SPI接口，若使用18M或9M波特率，需要选用50M的GPIO的引脚速度。

当为该端口下寄存器值的pin配置为11时，输出速度和电容C有关，这是指对于CMOS工艺的集成电路而言，输入阻抗是非常高的，主要功耗来自于绝缘栅等效的电容充放电效应。既然是电容的充放电，考虑信号源的内阻（基于标准CMOS电路的输出），根据RC充电常数和逻辑门限电平就能得出一个最小周期，其对应一个最高IO频率。

图4 GPIOx_OSPEEDR寄存器定义

（4）端口上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR

该寄存器是配置端口对应的pin上是否需要配置芯片内部的上拉或者下拉电阻。

图5 GPIOx_PUPDR寄存器定义

STM32芯片GPIO的上拉电阻和下拉电阻最小值，典型值和最大值如下：

（5）端口输入数据寄存器 GPIOx_IDR

本寄存器读取GPIO端口引脚的信号电平值。该寄存器只有0到15位有效，每一位就是对应的pin值，例如GPIOA_OTYPER的IDR00值为1，就是此时读到GPIOA的pin0管脚值为1高电平信号。

图6 GPIOx_IDR寄存器定义

（6）GPIO 端口输出数据寄存器 GPIOx_ODR

本寄存器可以设置GPIO端口引脚的信号值。前提是该引脚为普通的IO输出引脚。该寄存器只有0到15位有效，每一位就是对应的pin值，例如设置GPIOA_OTYPER的ODR0值为1，就是此时输出GPIOA的pin0管脚值为1高电平信号。

图7 GPIOx_ODR寄存器定义

（7）GPIO 端口置位/复位寄存器GPIOx_BSRR

本寄存器可以通过写入GPIOx_BSRR寄存器值，可以对GPIOx_ODR的对应位进行置位和复位。既然GPIOx_ODR 能控制管脚高低电平，为什么还需要GPIOx_BSRR寄存器？

原因是GPIOx_BSRR去改变管脚状态的时候是原子操作置位/复位，没有被中断打断的风险。也就不需要关闭中断，关闭中断明显会延迟或丢失一事件的捕获，所以控制GPIO的状态最好可以用GPIOx_BSRR。

该寄存器的0到15位为置位功能，16到31位为复位功能。例如设置GPIOA_BSRR的BS0值为1，相当于输出GPIOA的pin0管脚值为1高电平信号；设置GPIOA_BSRR的BR0值为1，相当于输出GPIOA的pin0管脚值为0低电平信号。

图8 GPIOx_BSRR寄存器定义

（8）GPIO 端口配置锁定寄存器GPIOx_LCKR

本寄存器用于锁定当前管脚的配置，可以保持管脚当前的状态，保护管脚不受干扰，要使用该寄存器，需要先激活“锁定”功能。当执行正确的写序列设置了位16(LCKK)时，锁定功能被激活，LCKK位的写序列为：写1 -> 写0 -> 写1 -> 读0 -> 读1。最后一个读可省略，但可以用来确认锁键已被激活。被锁定的管脚pin只有等到下次MCU复位才能被解锁。

LCK0到LCK15为对应的pin0到pin15的锁定配置，当需要锁定对应的管脚pin时，在执行LCKK写序列操作时，将对应的LCK位写1。

（9）GPIO 复用功能低位寄存器GPIOx_AFRL

本寄存器可以设置GPIO端口引脚的复用功能，比如将该引脚设置成USART或者SPI类型的功能管脚，本寄存器AFRL0~AFRL7分别对应引脚pin0~pin7，每个引脚又有4位可选，因此一个引脚可以在16中复用功能中选择，例如将GPIOA_AFRL的AFRL0[3:0]=0001，就是将GPIOA的pin0管脚应用成第2种复用功能AF1。