2019年09月11日 | STM32 嵌入式学习入门（2）——STM32的GPIO介绍

GPIO：General Purpose Input Output ，即通用输入/输出，简称为GPIO。

GPIO应该是学习单片机、学习嵌入式、学习STM32的第一个知识点了。在介绍GPIO相关的内容前，这里先总得说一下自己对GPIO的理解。对于初学者，可以把GPIO的作用想象成C语言里面的做输入输出的函数（scanf(); printf(); gets(); puts();等等），在C语言里面scanf()和printf()这两个函数是做输入输出的，对于几乎所有的C语言程序，都可以看成是用输入函数读取了一些输入，然后进行程序的逻辑处理，最后通过输出函数把程序最后执行的结果显示出来的过程。

同样地，这可以类比到嵌入式系统上面。比如循迹小车、避障小车、平衡小车、四旋翼等等，我们其实都可以看成这样的结构：

1）首先通过外部模块（这里主要是指各种传感器）读取系统的相关参数。比如循迹小车，就是利用红外模块去探测小车当前的行驶状态，并实时地将小车的行驶状态发送给主控制器（STM32）。而这种数据的发送就是将红外模块的特定引脚与STM32的GPIO相连，以高低电平的形式向STM32传递信息的。

2）主控制器对接收到的数据进行判断。接着上面循迹小车的例子，在主控制器的程序中，每过一定的时间（比如10ms）就会扫描并一下接收传感器信号的那几个引脚（IO口）上的高低电平的信息。然后对这些信息进行分析判断，判断的结果是小车当前是否还沿着预定轨迹行驶，如果偏离了预定的轨迹，应该怎么调整。

3）主控制器将判断结果通过IO口传出。上面第2点，最后的判断结果会通过IO口将调整信息发出到电机驱动部分，电机驱动部分会根据主控模块发来的数据对电机转速进行调整，从而达到让小车循迹行驶的目的。

总结一下，上面这三点主要是想让大家了解GPIO的作用，在一个项目、一个系统中的作用。说简单了就是输出高低电平和读取高低电平输入的。

下面进入正文，介绍GPIO的初始化和使用方法。

首先从最简单的角度介绍GPIO是什么东西。

首先GPIO最基本、最简单的作用是我们可以通过编程的方式让它作输入或者输出，而输入/输出的形式为高低电平（通常0V为低电平，3.3V为高电平）。要让GPIO作输入或者输出，首先就需要对IO口相关的寄存器进行配置。先介绍一下什么是寄存器，寄存器是中央处理器内的组成部分，寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。因此对IO口的初始化就是向相关寄存器里面写不同的值，从而确定使用哪一个IO口（IO口标号）、以及IO口工作模式（输入还是输出）、输出速度等参数。在经过初始化之后就可以正常使用IO口了，比如如果IO口设置成了某个输入模式，就可以通过调用相关函数或者直接操作相关寄存器去得到IO口的电平是高电平还是低电平。

下面从库函数的层面来说明如何初始化IO口。

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;

首先看这个结构体的定义，里面有三个变量，首先这三个变量的类型是通过类型重命名得到的，具体如下：

typedef unsigned short     int uint16_t;

typedef enum

{ 

  GPIO_Speed_10MHz = 1,

  GPIO_Speed_2MHz, 

  GPIO_Speed_50MHz

}GPIOSpeed_TypeDef;

typedef enum

{ GPIO_Mode_AIN = 0x0, //模拟输入

  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空输入

  GPIO_Mode_IPD = 0x28, //下拉输入

  GPIO_Mode_IPU = 0x48, //上拉输入

  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, //开漏输出

  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, //推挽输出

  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, //复用开漏输出

  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 //复用推挽输出

}GPIOMode_TypeDef;

所以实际上，GPIO_InitTypeDef这个结构体第一个变量类型为一种无符号的整形，变量名为GPIO_Pin，即为确定是哪一个IO口。GPIO_InitTypeDef的第二个变量类型是用枚举定义的，根据变量名很容易知道它是确定IO口的输入或输出的速度的。GPIO_InitTypeDef的第三变量同样是枚举定义的，是确定IO口作输入还是输出，当然这里输入和输出又可以各自细分为好几种，所以这里看到这个结构体中八种模式（mode）。这八种模式中，最常用的也是应该掌握的有三种：推挽输出、开漏输出、上拉输入。

推挽输出：可以输出高、低电平，连接数字器件；推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

开漏输出：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(一般20ma以内) 。

上拉输入：IO口内部输入时由上拉电阻上拉。

具体八种IO口工作模式的解释，可以参考这个帖子：http://www.openedv.com/posts/list/21980.htm

比如说我们需要将PB5这个IO口设置为推挽输出，输入速度为50MHz，实现的代码如下：

 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //使能PB端口时钟 ①

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //PB.5 端口配置

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO口速度为50MHz

 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //根据设定参数初始化GPIOB.5 ②

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

这里可能不懂的地方是我用圆圈标出来的两个地方。首先第①行，对于STM32而言，外设和IO口是很多的，默认状态下这些外设和IO口的状态都是关闭的（未使能的），这样可以节约CPU的资源，在使用的时候就要使能（开启）相关时钟。②的位置是调用IO口初始化函数，这是一个库函数，是官方提供的，初学者没有必要了解函数实现的细节。但需要掌握该函数调用时的入口参数。我们的例子是初始化PB5，所以第一个确定IO分组的参数应该写GPIOB，第二个参数就是传入刚才配置好的变量的地址。

再举一个例子，比如我们要初始化PA8这个IO口为下拉输入，输入速度为50MHz，实现的代码如下：，代码如下：

 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PA端口时钟

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; //PA.8 端口配置

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; //下拉输入

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO口速度为50MHz

 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //根据设定参数初始化GPIOA.8

通过上面的操作，就对IO口完成初始化了。下面我们可以开始对IO口进行相关操作了，比如读取IO口的电平（当IO口设置为某个输入模式的时候），或者通过IO口输出高低电平（当IO口设置为某个输出模式的时候）。这里介绍这么三个库函数：

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

第一个函数用于读取相关IO口的电平的高低，比如我要读 GPIOA.5 的电平状态， 那么方法是：GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);返回值是 1(Bit_SET)或者 0(Bit_RESET)。

后面两个函数用于设置IO口的电平的高低，GPIO_SetBits()用于设置IO口电平为高，GPIO_ResetBits();用于设置IO口电平为低。

比如我们要设置 GPIOB.5 输出 1，那么方法为：GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);反之如果要设置GPIOB.5 输出位 0，方法为：GPIO_ResetBits (GPIOB, GPIO_Pin_5);

以上的介绍就是GPIO最最基本的内容。掌握了这些，就可以试着写一个跑马灯一类的实验了。