STM32之GPIO底層原理與編程實踐

1、什麼是GPIO

　　GPIO全稱爲General Purpose Input Output，中文理解爲通用輸入輸出端口。它指的是編程可控制的引腳，便可以控制引腳是做爲輸入來用，仍是輸出功能，又或者是交給片上外設使用（複用）。

 

2、GPIO結構框圖

　　理解GPIO硬件電路的實現，有助於編程的理解。下圖是官方手冊給出的GPIO框圖：

 

　　此框圖中只有最右端的I/O pin是板上外露可見的，其餘部分均在芯片內部。該框圖結構被分爲兩個部分，其一是輸出結構，主要由引腳（I/O pin）、保護二極管（protection diode）、雙MOS管(P-MOS+N-MOS)、輸出控制（output control）、輸出數據寄存器（output data register）、位置位/復位寄存器（bit set/reset register）組成 ；其二是輸入結構，由引腳、保護二極管、雙開關（on/off）、TTL肖特基觸發器（TTL Schmitt trigger）、輸入數據寄存器（input data register）組成。

　　1.保護二極管

　　　　兩個二極管構成了雙向限幅電路。當外部輸入電壓大於VDD時，上方二極管導通（全文皆忽略二極管和MOS管導通壓降），使得電壓限制在VDD左右；當外部輸入電壓低於VSS，下方二極管導通，電壓限制在VSS左右。然而這樣的保護並不能使引腳直接驅動大功率器件，例如電機，就須要外加驅動電路。

　　2.雙開關

　　　　這個雙開關電路與上拉、下拉和浮空模式有關，當處於上拉模式時上方開關閉合，下方斷開，除非引腳的外部輸入爲低電平，不然輸入到肖特基觸發器的電平都是高電平；當處於下拉模式時上方開關斷開，下方閉合，除非引腳的外部輸入爲高電平，不然輸入到肖特基觸發器的電平都是低電平；當處於浮空模式時開關所有斷開，電平默認爲高阻態，輸入的電平徹底取決於外部輸入。上下拉多用於按鍵檢測，而浮空則經常使用於ADC檢測。

　　3.肖特基觸發器

　　　　該觸發器主要是將模擬電壓轉爲0/1數字信號，上圖中模擬輸入（Analog input）就取自觸發器以前，而輸入數據寄存器則取自觸發器以後的數字信號。

　　4.輸入數據寄存器

　　　　這個寄存器用來存儲各個引腳電平狀態，可經過讀取該寄存器內容，來獲取任意引腳狀態。

　　5.位置位/復位寄存器

　　　　經過讀寫該寄存器，能夠間接地更改輸出數據寄存器的值。

　　6.輸出數據寄存器

　　　　能夠直接讀寫該寄存器，來更改各個引腳的輸出狀態，當寄存器值保持不變時，每一個引腳的電平也就不發生變化。

　　7.雙MOS管

　　　　雙MOS管組成一個推輓輸出（push-pull）電路，當輸出寄存器中值爲1時，通過反相器，兩管的共柵極輸入低電平，則PMOS導通，NMOS截止，引腳輸出高電平；當輸出寄存器中值爲0時，通過反相器，兩管的共柵極輸入高電平，則NMOS導通，PMOS截止，引腳輸出低電平。當PMOS被禁用時，電路變爲開漏輸出，引腳仍可輸出低電平，但沒法正常輸出高電平，取而代之的是高阻態。若是此時想要輸出高電平，則必須接上拉電阻。開漏輸出僅在一些特殊場合下使用，更多的是推輓輸出。

 

3、GPIO寄存器

　　1.APB2外設時鐘使能寄存器(RCC_APB2ENR)

　　　　RCC_APB2ENR並不屬於GPIO的寄存器組，可是它控制着GPIO的引腳時鐘使能，芯片上電後，全部外設時鐘默認是關閉的，因此在使用GPIO前要先打開端口時鐘使能。該寄存器內容以下，咱們只關心IOPxEN位，置1則開啓時鐘。

　　　　

　　　　　　　

 

　　2.端口配置低位寄存器(GPIOx_CRL)

　　　　該寄存器可配置低8個GPIO引腳的工做模式：模擬輸入、浮空輸入、上拉\下拉輸入、通用推輓輸出、通用開漏輸出、複用推輓輸出、複用開漏輸出。複用輸入模式沒有單獨的配置，只要將引腳配置爲浮空/上拉/下拉輸入模式，由片上外設驅動便可。CRL還能夠在輸出模式下配置工做頻率，頻率越大，功耗越高。注意每一個引腳模式配置佔4bit。對於上拉\下拉輸入來講，是上拉仍是下拉取決於ODR寄存器配置的值。

　　　　

 

　　3.端口配置高位寄存器(GPIOx_CRH)

　　　　該寄存器同GPIOx_CRL，只是它控制的是高8個GPIO引腳的工做模式。

　　　　

 

　　4.輸入數據寄存器(GPIOx_IDR)

　　　　該寄存器存儲了當前引腳的狀態，不管GPIO在哪一種工做模式下，均可以讀取該寄存器，但在模擬輸入模式下，寄存器的值一直爲0。

　　　　

 

 　　　　

　　5.輸出數據寄存器(GPIOx_ODR)

　　　　在通用輸出模式下，該寄存器可用來控制電平高低；在複用推輓輸出模式下，可讀取ODR獲取引腳狀態（在複用開漏輸出模式下，可讀取IDR獲取引腳狀態）。在上拉或下拉輸入模式下，ODR可決定是上拉仍是下拉。

　　　　

 

 

 　　

　　6.位置位/復位寄存器(GPIOx_BSRR)

　　　　經過該寄存器，能夠單獨控制某個引腳的電平變化。由於向這個寄存器寫0的結果是無操做，寫1是置位或者復位，因此訪問該寄存器能夠直接用=號；而ODR寄存器寫0則表示給低電平，寫1表示給高電平，爲了避免影響其餘引腳，寫入必須用&=和|=號。另外還有個寄存器叫GPIOx_BRR，同該寄存器差很少，只不過BRR只能復位，高16位是保留的。

　　　　

 

 

 

4、GPIO編程

　　GPIO最經常使用的就是通用推輓輸出和上拉/下拉輸入這兩種模式。一下程序實現功能爲：

　　　　PA0爲按鍵輸入，按下爲低電平。PC13是led控制引腳，低電平點亮LED。當按下按鍵時，LED亮;鬆開按鍵時，LED滅。

　　程序代碼以下，根據GPIO原理，編程順序通常是：先開啓時鐘使能，配置引腳工做模式，最後給引腳電平信號。

　　

int main(void)
{
    
    uint32_t key_value;
    
    //開啓GPIO外設時鐘使能
    //PORTA,第三位置1
    RCC->APB2ENR |= (1<<2);
    //PORTC,第五位置1
    RCC->APB2ENR |= (1<<4);
    
    //GPIO輸入輸出模式配置
    //清零PA0控制位
    GPIOA->CRL &= ~((uint32_t)(0x0F)<<(4*0));
    //設置PA0爲上拉輸入
    GPIOA->CRL |=  (uint32_t)(0x08)<<(4*0);
    GPIOA->ODR |=  (uint32_t)(0x01)<<0;    
    //清零PC13控制位
    GPIOC->CRH &= ~((uint32_t)(0x0F)<<(4*5));
    //設置PC13爲推免輸出
    GPIOC->CRH |=  (uint32_t)(0x01)<<(4*5);
    
    
    while(1){
            //獲取PA0電平狀態,key_value==1表示按鍵沒有按下
            key_value = (GPIOA->IDR & (uint32_t)(0x01)) == (uint32_t)(0x01);
            //改變PC13電平
            if (key_value==0)
                //PC13低電平輸出
                GPIOC->ODR &= ~((uint32_t)(0x01)<<13);                
            else
                //PC13高電平輸出
                GPIOC->ODR |= (uint32_t)(0x01)<<13;
    }
}