2019年09月02日 | STM32开发 -- GPIO详解

之前有简单讲过GPIO工作模式和寄存器，还是有点没搞明白。这次需要全方位的看一下了。

一、数据手册

1、STM32F105RC引脚说明

可知：STM32F105RC

一共有4组IO口

一共16X3+3=51个IO

GPIOA0~A15

GPIOB0~B15

GPIOC0~C15

GPIOD0~D2

2、程序定义

GPIO端口号

STM32F105RC使用GPIO端口号为：GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)

#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)

#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)

#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)

#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)

#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)

GPIO I/O口（gpio_init.GPIO_Pin）

#define GPIO_Pin_0 ((uint16_t)0x0001) /!< Pin 0 selected /

#define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /!< Pin 1 selected /

#define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /!< Pin 2 selected /

#define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /!< Pin 3 selected /

#define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /!< Pin 4 selected /

#define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /!< Pin 5 selected /

#define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /!< Pin 6 selected /

#define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /!< Pin 7 selected /

#define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /!< Pin 8 selected /

#define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /!< Pin 9 selected /

#define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /!< Pin 10 selected /

#define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /!< Pin 11 selected /

#define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /!< Pin 12 selected /

#define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /!< Pin 13 selected /

#define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /!< Pin 14 selected /

#define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /!< Pin 15 selected /

#define GPIO_Pin_All ((uint16_t)0xFFFF) /!< All pins selected /

二、GPIO工作方式

这里的输入、输出是相对于MCU来说的。

举个栗子：

GSM状态引脚，连接MCU PC8引脚。

STATUS 输出高电平开机、低电平关机。

相对于MCU来说，就是输入高电平开机、低电平关机。

1、GPIO 8种工作模式（gpio_init.GPIO_Mode）

（1） GPIO_Mode_AIN 模拟输入

（2） GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

（3） GPIO_Mode_IPD 下拉输入

（4） GPIO_Mode_IPU 上拉输入

（5） GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

（6） GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

（7） GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

（8） GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

2、程序定义

/**

@brief Configuration Mode enumeration

/

typedef enum

{

GPIO_Mode_AIN = 0x0, / 模拟输入 /

GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, / 输入浮空 /

GPIO_Mode_IPD = 0x28, / 输入下拉 /

GPIO_Mode_IPU = 0x48, / 输入上拉 /

GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, / 开漏输出 /

GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, / 推挽式输出 /

GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, / 开漏复用 输出 /

GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 / 推挽式复用 输出 */

}GPIOMode_TypeDef;

3、详解

什么是推挽和开漏，

参看：S5PV210开发 – I2C 你知道多少？（三）

GPIO_Mode_AIN 模拟输入

施密特触发器是关闭的，信号直接到ADC输入；

STM32的模拟输入通道的配置则更加简单，信号从左边编号1的端口进入，从右边编号2的一端直接进入ADC模块。

这里我们看到所有的上拉、下拉电阻和施密特触发器，均处于断开状态，因此输入数据寄存器将不能反映端口上的电平状态，也就是说，模拟输入配置下，CPU不能在输入数据寄存器上读到有效的数据。

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

图中施密特触发器是开启的，IO口的状态可以直接送到输入寄存器中，CPU可以直接读取输入寄存器；

在上图中，阴影的部分处于不工作状态，尤其是下半部分的输出电路，实际上是与端口处于隔离状态。

黄色的高亮部分显示了数据传输通道，外部的电平信号通过左边编号1的IO端口进入STM32，经过编号2的施密特触发器的整形送入编号3的输入数据寄存器，在输入数据寄存器的另一端编号4，CPU可以随时读出IO端口的电平状态。

GPIO_Mode_IPD 下拉输入

GPIO_Mode_IPU 上拉输入

上图是STM32的GPIO带上拉输入模式的配置。与前面的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上部，接入了一个上拉电阻，根据STM32的数据手册，这个上拉电阻阻值介于30K~50K。

同样，CPU可以随时在输入数据寄存器的另一端，读出IO端口的电平状态。

GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

当CPU在编号1端通过“位设置/清楚寄存器”或“输出数据寄存器”写入数据后，该数据位通过编号2的输出控制电路传送到编号4的IO端口。

如果CPU写入的是逻辑1，则编号3的N-MOS管将处于关闭状态，此时IO端口的电平将由外部的上拉电阻决定，如果CPU写入的是逻辑0，则编号3的N-MOS管将处于开启状态，此时IO端口的电平被编号3的N-MOS管拉到了VSS的零电位。

在上图的上半部，施密特触发器处于开启状态，这意味着CPU可以在“输入数据寄存器”的另一端，随时监控IO端口的状态；通过这个特性，还实现了虚拟的IO端口双向通信，只要CPU输出逻辑1，由于编号3的N-MOS管处于关闭状态，IO端口的电平将完全由外部电路决定，因此，CPU可以在“输入数据寄存器”读到外部电路的信号，而不是它自己输出的逻辑1。

GPIO口的输出模式下，有3种输出速度可选（2MHz、10MHz和50MHz），这个速度是指GPIO口驱动电路的响应速度，而不是输出信号的速度，输出信号的速度与程序有关（芯片内部在IO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。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。当然如果要输出较高的频率的信号，但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到失真的输出信号。

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

GPIO推挽复用输出模式，编号2的输出控制电路的输入，与复用功能的输出端相连，此时输出数据寄存器被从输出通道断开了，并和片上外设的输出信号连接。我们将GPIO配置成复用输出功能后，如果外设没有被激活，那么它的输出将不确定，其它部分与前述模式一致，包括对“输入数据寄存器”的读取。

4、应用场合

①上拉输入、下拉输入可以用来检测外部信号；例如，按键等；

②浮空输入模式，由于输入阻抗较大，一般把这种模式用于标准通信协议的I2C、USART的接收端；

③普通推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3V的场合。而普通开漏输出模式一般应用在电平不匹配的场合，如需要输出5V的高电平，就需要在外部一个上拉电阻，电源为5V，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5V电平。

④对于相应的复用模式（复用输出来源片上外设），则是根据GPIO的复用功能来选择，如GPIO的引脚用作串口的输出（USART/SPI/CAN），则使用复用推挽输出模式。如果用在I2C、SMBUS这些需要线与功能的复用场合，就使用复用开漏模式。

⑤在使用任何一种开漏模式时，都需要接上拉电阻。

三、GPIO 寄存器

1、GPIO 寄存器

每组IO口含下面7个寄存器。也就是7个寄存器，一共可以控制一组GPIO的16个IO口。

GPIOx->CRL :端口配置低寄存器

GPIOx->CRH:端口配置高寄存器

GPIOx->IDR:端口输入寄存器

GPIOx->ODR:端口输出寄存器

GPIOx->BSRR:端口位设置/清除寄存器

GPIOx->BRR :端口位清除寄存器

GPIOx->LCKR:端口配置锁存寄存器

2、程序定义

下面有个volatile 被宏定义为 __IO，volatile 起到什么作用？

参看：C语言再学习 – 关键字volatile

#define __IO volatile /*!< defines ‘read / write’ permissions */

typedef struct

{

__IO uint32_t CRL; //端口配置低寄存器

__IO uint32_t CRH; //端口配置高寄存器

__IO uint32_t IDR; //端口输入寄存器

__IO uint32_t ODR; //端口输出寄存器

__IO uint32_t BSRR; //端口位设置/清除寄存器

__IO uint32_t BRR; //端口位清除寄存器

__IO uint32_t LCKR; //端口配置锁存寄存器

} GPIO_TypeDef;

3、详解各个寄存器

参看：STM32F103学习记录-----GPIO篇

这些寄存器有集成到各个函数里的。

比如：

GPIO_SetBits 置高

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

{

/* Check the parameters */

assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));

assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));

GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;

}

参看：C语言再学习 – 位操作

当然也可以这么用：

//使用寄存器结构体指针点亮LED

int main(void)

{

#if 0 //直接通过操作内存来控制寄存器

RCC_APB2ENR |= (1<<3);// 开启 GPIOB 端口时钟

GPIOB_CRL &= ~( 0x0F<< (40));//清空控制 PB0 的端口位

GPIOB_CRL |= (1<<40);// 配置 PB0 为通用推挽输出，速度为 10M

GPIOB_ODR |= (0<<0);// PB0 输出 低电平

while (1);

#else// 通过寄存器结构体指针来控制寄存器

RCC->APB2ENR |= (1<<3);// 开启 GPIOB 端口时钟

GPIOB->CRL &= ~( 0x0F<< (40));//清空控制 PB0 的端口位

GPIOB->CRL |= (1<<40);// 配置 PB0 为通用推挽输出，速度为 10M

GPIOB->ODR |= (0<<0);// PB0 输出 低电平

while (1);

#endif

}

端口配置低寄存器(GPIOx->CRL)

端口配置高寄存器(GPIOx->CRH)

端口输入数据寄存器(GPIOx->IDR)

端口输出数据寄存器(GPIOx->ODR)

端口位设置/清除寄存器(GPIOx->BSRR)

端口位清除寄存器(GPIOx->BRR)

四、大同小异的初始化

有很多外设的初始化，但是基本上大同小异吧。我们以最简单的点亮LED来看一下。

1、初始化程序

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE); //使能 PB,PE 端口时钟

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //LED0–>PB.5 推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5); //PB.5 输出高

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //LED1–>PE.5 推挽输出

GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5); /PE.5 输出高

2、解析

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

typedef struct

{

uint16_t GPIO_Pin; /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.

This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */

GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; /*!< Specifies the speed for the selected pins.

This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */

GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode; /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.

This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */

}GPIO_InitTypeDef;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);

使能 GPIOB,GPIOE 端口时钟

启用或禁用高速APB（APB2）外设时钟。

void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState)

{

/* Check the parameters */

assert_param(IS_RCC_APB2_PERIPH(RCC_APB2Periph));

assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));

if (NewState != DISABLE)

{

RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph;

}

else

{

RCC->APB2ENR &= ~RCC_APB2Periph;

}

}

启用或禁用低速APB（APB1）外设时钟。

void RCC_APB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState)

{

/* Check the parameters */

assert_param(IS_RCC_APB1_PERIPH(RCC_APB1Periph));

assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));

if (NewState != DISABLE)

{

RCC->APB1ENR |= RCC_APB1Periph;

}

else

{

RCC->APB1ENR &= ~RCC_APB1Periph;

}

}

这里思考一个问题？哪些该用APB1（低速）、哪些该用APB2（高速）呢？

APB2负责 AD，I/O，高级TIM，串口1。

APB1负责 DA，USB，SPI，I2C，CAN，串口2345，普通TIM，PWR

高低速时钟频率多大呢?

这个后续讲时钟时再看！！！

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;

选择待设置的GPIO管脚，上面有提到GPIO有16个I/O口。多个I/O中间加位操作符 “|”

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

设置选中GPIO管脚的模式，上面有提到GPIO共有8种工作模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

设置选中GPIO管脚的速率

typedef enum

{

GPIO_Speed_10MHz = 1, //最高输出速率10MHz

GPIO_Speed_2MHz, //最高输出速率2MHz

GPIO_Speed_50MHz //最高输出速率50MHz

}GPIOSpeed_TypeDef;

思考，GPIO_Speed GPIO的速度该如何选择呢？

参看：stm32引脚速度GPIO_Speed的区别

I/O口的输出模式下，有3种输出速度可选(2MHz、10MHz和50MHz)，这个速度是指I/O口驱动电路的响应速度而不是输出信号的速度，输出信号的速度与程序有关（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。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。当然如果要输出较高频率的信号，但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到失真的输出信号。

举个栗子：

①　USART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。

②　I2C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。

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

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

根据GPIO_InitStructure中指定的参数初始化外设GPIOX

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);

将端口GPIOB的第5引脚置1（高电平）， 多个I/O中间加位操作符 “|”

五、GPIO常用函数

打开 stm32f10x_gpio.c，可以看到 GPIO 相关函数。我们简单看一下这些函数的功能

参看：STM32中使用GPIO的总结(超强)

下面出现的Bit_RESET = 0，Bit_SET = 1

typedef enum

{ Bit_RESET = 0,

Bit_SET

}BitAction;

1、GPIO_ReadInputDataBit

功能描述：读取指定端口管脚的输入

例：

u8 ReadValue;

ReadValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7);

返回值为：0（低电平）、1（高电平）

函数解析

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

{

uint8_t bitstatus = 0x00;

/* Check the parameters */

assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));

assert_param(IS_GET_GPIO_PIN(GPIO_Pin));

if ((GPIOx->IDR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)

// GPIOx->IDR:端口输入寄存器

{

bitstatus = (uint8_t)Bit_SET;

}

else

{

bitstatus = (uint8_t)Bit_RESET;

}

return bitstatus;

}

2、GPIO_ReadInputData

功能描述：读取指定的GPIO端口输入

例：

u16 ReadValue;

ReadValue = GPIO_ReadInputData(GPIOC);

函数解析

uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx)

{

/* Check the parameters */

assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));

return ((uint16_t)GPIOx->IDR);

}

3、GPIO_ReadOutputDataBit

功能描述：读取指定端口管脚的输出

例：

u8 ReadValue;

ReadValue = GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7);

函数解析

uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

{

uint8_t bitstatus = 0x00;

/* Check the parameters */

assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));

assert_param(IS_GET_GPIO_PIN(GPIO_Pin));

if ((GPIOx->ODR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)

{

bitstatus = (uint8_t)Bit_SET;

}

else

{

bitstatus = (uint8_t)Bit_RESET;

}

return bitstatus;

}

4、GPIO_ReadOutputData

功能描述：读取指定的GPIO端口输出

例：

u16 ReadValue;

ReadValue = GPIO_ReadOutputData(GPIOC);

函数解析

uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx)