2019年03月13日 | 【STM32】GPIO的相关配置寄存器、库函数、位操作

STM32F1xx官方资料：

《STM32中文参考手册V10》-第8章通用和复用功能IO(GPIO和AFIO)

《Cortex-M3权威指南(中文)》第5章 位带操作

硬件连接

假设跑马灯实验的硬件连接如上图所示，LED0连接PB5，LED1连接PE5。由于在LED的另一端是VCC3.3，所以当PB5或PE5为低电平的时候，LED灯会亮。此时GPIO应采取推挽输出的模式。

GPIO的相关配置寄存器

STM32的每组GPIO口包括7个寄存器。也就是说，每个寄存器可以控制一组GPIO的16个GPIO口。这7个寄存器分别为：

GPIOx_CRL：端口配置低寄存器（32位）

GPIOx_CRH：端口配置高寄存器（32位）

GPIOx_IDR：端口输入寄存器（32位）

GPIOx_ODR：端口输出寄存器（32位）

GPIOx_BSRR：端口位设置/清除寄存器（32位）

GPIOx_BRR：端口位清除寄存器（16位）

GPIOx_LCKR：端口配置锁存寄存器（32位）

端口配置低寄存器（GPIOx_CRL）

由于每个GPIO口需要4位来进行配置输入输出模式（2位配置MODE，2位配置CNF），这样的话每组16个GPIO口则需要64位，这也就表明需要两个32位寄存器。于是GPIOx_CRL用于配置GPIO0-GPIO7的输入输出模式。同理GPIOx_CRH则用于配置GPIO8-GPIO15的输入输出模式。

同时对于上面的这个表可以总结出端口位配置的信息：

需要注意的是，当MODE选择00，CNF为选择10时，代表着上拉/下拉输入模式。到底是上拉还是下拉呢？此时需要PxODR（端口输出寄存器）来确定，0为下拉输入，1为上拉输入。

端口输入寄存器（GPIOx_IDR）

IDR寄存器低16位，每个位控制该组GPIO口的一个IO口，对应的是该IO口的输入电平。在输入模式下，可以读取I/O端口的电平值；在输出模式下，也可以读取I/O端口的电平值（在开漏输出时，读取到的I/O端口的电平值，不一定就是输出的电平值）。

端口输出寄存器（GPIOx_ODR）

ODR寄存器的低16位，每个位控制该组GPIO口的一个IO口，对应的是该IO口的输出电平。在输出模式下，可以通过写寄存器的值，来达到某个IO口的电平输出；在输入模式下，还可以通过写值，来确定是上拉还是下拉输入模式。

端口位设置/清除寄存器（GPIOx_BSRR）

在GPIO的开漏输出模式或者推挽输出模式下，都可以直接给ODR寄存器赋值来进行某个IO口的电平输出；同时，也可以通过对BSRR进行赋值来达到对ODR寄存器的控制来进行对IO口的电平输出。其实，BSRR寄存器的底层也是对ODR寄存器的控制。

BSRR寄存器的低16位可以只对ODR赋1，高16位可以只对ODR赋0。这样的好处是，只可以对ODR的某些特定位产生影响，而不对其他的位产生影响。而且可以一次性对ODR的许多位同时进行控制。

端口位清除寄存器（GPIOx_BRR）

BRR寄存器的功能其实和BSRR寄存器的高16位的功能是一样的，通常情况下，使用BSRR寄存器的低16位来赋1，使用BRR寄存器来赋0。

GPIO的寄存器版本

使能IO口时钟。配置寄存器RCC_APB2ENR；

初始化IO口模式。配置寄存器GPIOx_CRH/CRL；

操作IO口，输出高低电平。配置寄存器GPIOX_ODR或者BSRR/BRR。

具体的程序内容：

void LED_Init(void){

RCC->APB2ENR|=1<<3;

RCC->APB2ENR|=1<<6;

GPIOB->CRL&=0xFF0FFFFF;

GPIOB->CRL|=0x00300000;

GPIOB->ODR|=1<<5;

GPIOE->CRL&=0xFF0FFFFF;

GPIOE->CRL|=0x00300000;

GPIOE->ODR|=1<<5;

}

 int main(void)

 {

LED_Init();

delay_init();

while(1){

GPIOB->ODR|=1<<5;

GPIOE->ODR|=1<<5;

delay_ms(500);

GPIOB->ODR&=~(1<<5);

GPIOE->ODR&=~(1<<5);

delay_ms(500);

}

 }

GPIO的库函数版本

需引用的文件：stm32f10x_gpio.h、stm32f10x_rcc.h、misc.h

需定义的文件：led.h

GPIO库函数介绍

1个初始化函数：

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

作用：初始化一个或者多个IO口（同一组）的工作方式和速度。该函数主要是操作GPIO_CRL（CRH）寄存器，在上拉或者下拉的时候有设置BSRR或者BRR寄存器 。

注意：外设（包括GPIO）在使用之前，几乎都要先使能对应的时钟。

2个读取输入电平函数：

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

作用：读取某个（某组）GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。

2个读取输出电平函数：

uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

作用：读取某个（某组）GPIO的输出电平。实际操作的是GPIO_ODR寄存器。

4个设置输出电平函数：

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);

作用：设置某个IO口输出为高电平（低电平）。实际操作BSRR寄存器。后两个函数的作用类似。

GPIO库函数版本的跑马灯

使能IO口时钟。调用函数RCC_APB2PeriphColckCmd()；

初始化IO口模式。调用函数GPIO_Init()；

操作IO口，输出高低电平。调用函数GPIO_SetBits()；GPIO_ResetBits()。

具体的程序内容：

void LED_Init(void){

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOE,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOE,&GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);

}

 int main(void)

 {

LED_Init();

delay_init();

while(1){

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);

GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);

delay_ms(500);

GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);

GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);

delay_ms(500);

}

 }

GPIO的位操作版本

位操作的原理

把每位膨胀为一个32位的地址，当访问这些地址的时候就达到了访问该位的目的。比如说BSRR寄存器有32个位，那么可以映射到32个地址上，我们去访问（读-改-写）这32个地址就达到访问32个比特的目的。

也就是说，位操作就是可以读、写单独的一个比特位，由于在STM32中没有像51单片机的sbit来实行位定义，但是它可以通过位带别名区来实现。 

哪些区域支持位操作：

SRAM 区的最低 1MB 范围，0x20000000 ‐ 0x200FFFFF（SRAM区中的最低 1MB）；

片内外设区的最低 1MB范围，0x40000000 ‐ 0x400FFFFF（片上外设区中最低 1MB）。

位带区：支持位带操作的地址区

位带别名：对别名地址的访问最终作用到位带区的访问上（注意：这中间有一个地址映射过程）

这两个1MB的空间可以像普通RAM一样操作外（修改内容时用读、改、写），它们还有自己的位带别名区，位带别名区把这1MB的空间的每一位膨胀为一个32位的字。确切的说，这个字就是一个地址，当操作这个地址时，就可以达到操作这个位带区某个位的目的。 

在位带区中，每个比特位都映射到别名地址区的一个地址，注意，这只是只有LSB有效的字(最低一位有效的字)。当一个别名地址被访问时，会把该地址转换为为位带操作。

映射方式

对片内外设位带区的某个比特位，记它的所在字节的地址为A，位序号为n（0<=n<=7），则该比特位在别名区的地址为：

AliasAddr = 0x42000000 + ((A - 0x40000000) * 8 + n) * 4

          = 0x42000000 + (A - 0x40000000) * 32 + n * 4

上式中，4表示一个字4个字节，8表示一个字节8个比特。

一开始，我对n（0<=n<=7）很不理解，既然n表示位序号，为什么不是0<=n<=31呢？其实是我忽略了“所在字节”四个字，也就是说在位带区中，不是以一个寄存器一个寄存器为分隔单元，而是以一个字节一个字节来分隔单元的。 

对于映射的公式，稍微解释一下：

A - 0x40000000 = 当前字节偏离外设基地址的偏移字节数 ；

偏移字节数 * 8 = 偏移了多少位 ；

因为位带区每一位对应位带别名区的一个地址（32位4字节），而地址是以字节计算的，所以位带别名区对应偏移量最后一个的地址 = 偏移了多少位 * 4 ；

n * 4 = 偏移量后面的n位对应位带别名区的地址。

同理，对于SRAM位带区的某个比特位，记它所在字节地址为A，位序号为n（0<=n<=7），则该比特位在别名区的地址为：

AliasAddr = 0x22000000 + ((A - 0x20000000) * 8 + n) * 4 

          = 0x22000000 + (A - 0x20000000) * 32 + n * 4

只是对位带基地址和位带别名区基地址做了改变即可。

为了方便操作，我们可以把这两个公式合并成一个公式，把“位带地址 + 位序号”转换成别名地址：

//把位带区地址 + 位序号转换成位带别名去的宏

#define BITBAND(addr, bit_num) ((addr & 0xf0000000) + 0x02000000 + ((addr & 0x00ffffff) << 5) + (bit_num << 2))

位带操作的优越性

位带操作可以简化跳转的判断。比如之前需要跳转到某一位时，必须这样做：

读取整个寄存器；

掩蔽不需要的位；

比较并跳转。

现在使用位带操作只需要：

从位带别名区读取状态位；

比较并跳转。

在SYSTEM文件夹的sys.h文件中，对GPIO输入输出部分功能实现了位带操作。具体的实现过程如下面的程序所示：

#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2)) 

#define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr)) 

#define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum)) 

//IO口地址映射

#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C  

#define GPIOA_IDR_Addr    (GPIOA_BASE+8) //0x40010808 

//IO口操作,只对单一的IO口!

//确保n的值小于16!

#define PAout(n)   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //输出 

#define PAin(n)    BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)  //输入 

通过PAout(n)实现对GPIOA_ODR寄存器的第n位赋值的功能，通过PAin(n)实现对GPIOA_IDR寄存器的第n位赋值的功能。按照这种写法，之前库函数版本的主程序可以改写成：

 int main(void)

 {

LED_Init();

delay_init();

while(1){

PBout(5)=1;

PEout(5)=1;

delay_ms(500);

PBout(5)=0;

PEout(5)=0;

delay_ms(500);

}

 }