stm32學習筆記之GPIO功能框圖分析

時間 2020-07-20

標籤 stm32 stm 學習筆記 gpio 功能框圖分析简体版

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　　GPIO 是通用輸入輸出端口的簡稱，簡單來講就是STM32 可控制的引腳，STM32 芯片的GPIO 引腳與外部設備鏈接起來，從而實現與外部通信、控制以及數據採集的功能。STM32 芯片的GPIO被分紅不少組，每組有16 個引腳，如型號爲STM32F103VET6 型號的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC 至GPIOE 共5 組GPIO，芯片一共100 個引腳，其中GPIO就佔了一大部分，全部的GPIO引腳都有基本的輸入輸出功能。html

　　最基本的輸出功能是由STM32 控制引腳輸出高、低電平，實現開關控制，如把GPIO引腳接入到LED 燈，那就能夠控制LED 燈的亮滅，引腳接入到繼電器或三極管，那就能夠經過繼電器或三極管控制外部大功率電路的通斷。最基本的輸入功能是檢測外部輸入電平，如把GPIO 引腳鏈接到按鍵，經過電平高低區分按鍵是否被按下。編程

　　GPIO 框圖剖析學習

　　經過GPIO 硬件結構框圖，就能夠從總體上深刻了解GPIO 外設及它的各類應用模式。該圖從最右端看起，最右端就是表明STM32 芯片引出的GPIO 引腳，其他部件都位於芯片內部。ui

　　基本結構分析職業規劃

　　下面咱們按圖中的編號對GPIO端口的結構部件進行說明。3d

　　1. 保護二極管及上、下拉電阻視頻

　　引腳的兩個保護二級管能夠防止引腳外部太高或太低的電壓輸入，當引腳電壓高於VDD 時，上方的二極管導通，當引腳電壓低於VSS 時，下方的二極管導通，防止不正常電壓引入芯片致使芯片燒燬。儘管有這樣的保護，並不意味着STM32 的引腳能直接外接大功率驅動器件，如直接驅動電機，強制驅動要麼電機不轉，要麼致使芯片燒壞，必需要加大功率及隔離電路驅動。htm

　　2. P-MOS 管和N-MOS 管blog

　　GPIO 引腳線路通過兩個保護二極管後，向上流向「輸入模式」結構，向下流向「輸出模式」結構。先看輸出模式部分，線路通過一個由P-MOS 和N-MOS 管組成的單元電路。這個結構使GPIO具備了「推輓輸出」和「開漏輸出」兩種模式。get

　　所謂的推輓輸出模式，是根據這兩個MOS 管的工做方式來命名的。在該結構中輸入高電平時，通過反向後，上方的P-MOS 導通，下方的N-MOS 關閉，對外輸出高電平;而在該結構中輸入低電平時，通過反向後，N-MOS 管導通，P-MOS 關閉，對外輸出低電平。當引腳高低電平切換時，兩個管子輪流導通，P 管負責灌電流，N 管負責拉電流，使其負載能力和開關速度都比普通的方式有很大的提升。推輓輸出的低電平爲0 伏，高電平爲3.3伏，它是推輓輸出模式時的等效電路。

　　而在開漏輸出模式時，上方的P-MOS 管徹底不工做。若是咱們控制輸出爲0，低電平，則P-MOS 管關閉，N-MOS 管導通，使輸出接地，若控制輸出爲1 (它沒法直接輸出高電平)時，則P-MOS 管和N-MOS 管都關閉，因此引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，爲高阻態。爲正常使用時必須外部接上拉電阻。它具備「線與」特性，也就是說，如有不少個開漏模式引腳鏈接到一塊兒時，只有當全部引腳都輸出高阻態，才由上拉電阻提供高電平，此高電平的電壓爲外部上拉電阻所接的電源的電壓。若其中一個引腳爲低電平，那線路就至關於短路接地，使得整條線路都爲低電平，0 伏。

　　推輓輸出模式通常應用在輸出電平爲0 和3.3 伏並且須要高速切換開關狀態的場合。在STM32 的應用中，除了必須用開漏模式的場合，咱們都習慣使用推輓輸出模式。

　　開漏輸出通常應用在I2C、SMBUS 通信等須要「線與」功能的總線電路中。除此以外，還用在電平不匹配的場合，如須要輸出5 伏的高電平，就能夠在外部接一個上拉電阻，上拉電源爲5 伏，而且把GPIO 設置爲開漏模式，當輸出高阻態時，由上拉電阻和電源向外輸出5 伏的電平。

　　3. 輸出數據寄存器

　　前面提到的雙MOS 管結構電路的輸入信號，是由GPIO「輸出數據寄存器GPIOx_ODR」提供的，所以咱們經過修改輸出數據寄存器的值就能夠修改GPIO 引腳的輸出電平。而「置位/復位寄存器GPIOx_BSRR」能夠經過修改輸出數據寄存器的值從而影響電路的輸出。

　　4. 複用功能輸出

　　「複用功能輸出」中的「複用」是指STM32 的其它片上外設對GPIO 引腳進行控制，此時GPIO 引腳用做該外設功能的一部分，算是第二用途。從其它外設引出來的「複用功能輸出信號」與GPIO自己的數據據寄存器都鏈接到雙MOS 管結構的輸入中，經過圖中的梯形結構做爲開關切換選擇。

　　例如咱們使用USART 串口通信時，須要用到某個GPIO引腳做爲通信發送引腳，這個時候就能夠把該GPIO引腳配置成USART 串口複用功能，由串口外設控制該引腳，發送數據。

　　1 // GPIOB 16 個IO 所有輸出 0XFF

　　2 GPIOB->ODR = 0XFF;

　　5. 輸入數據寄存器

　　看GPIO 結構框圖的上半部分，GPIO 引腳通過內部的上、下拉電阻，能夠配置成上/下拉輸入，而後再鏈接到施密特觸發器，信號通過觸發器後，模擬信號轉化爲0、1 的數字信號，而後存儲在「輸入數據寄存器GPIOx_IDR」中，經過讀取該寄存器就能夠了解GPIO引腳的電平狀態。

　　1 // 讀取GPIOB 端口的16 位數據值2uint16_ttemp;3 temp = GPIOB->IDR;

　　6. 複用功能輸入

　　與「複用功能輸出」模式相似，在「複用功能輸入模式」時，GPIO引腳的信號傳輸到

　　STM32 其它片上外設，由該外設讀取引腳狀態。

　　一樣，如咱們使用USART 串口通信時，須要用到某個GPIO引腳做爲通信接收引腳，這個時候就能夠把該GPIO 引腳配置成USART 串口複用功能，使USART 能夠經過該通信引腳的接收遠端數據。

　　7. 模擬輸入輸出

　　當GPIO 引腳用於ADC 採集電壓的輸入通道時，用做「模擬輸入」功能，此時信號是不通過施密特觸發器的，由於通過施密特觸發器後信號只有0、1 兩種狀態，因此ADC 外設要採集到原始的模擬信號，信號源輸入必須在施密特觸發器以前。相似地，當GPIO 引腳用於DAC 做爲模擬電壓輸出通道時，此時做爲「模擬輸出」功能，DAC 的模擬信號輸出就不通過雙MOS 管結構，模擬信號直接輸出到引腳。

　　GPIO 工做模式

　　總結一下，由GPIO的結構決定了GPIO能夠配置成如下模式：

　　(在固件庫中，GPIO總共有8 種細分的工做模式，大體歸類爲如下三類)

　　1. 輸入模式(模擬/浮空/上拉/下拉)

　　在輸入模式時，施密特觸發器打開，輸出被禁止，可經過輸入數據寄存器GPIOx_IDR讀取I/O 狀態。其中輸入模式，可設置爲上拉、下拉、浮空和模擬輸入四種。上拉和下拉輸入很好理解，默認的電平由上拉或者下拉決定。浮空輸入的電平是不肯定的，徹底由外部的輸入決定，通常接按鍵的時候用的是這個模式。模擬輸入則用於ADC 採集。

　　2. 輸出模式(推輓/開漏)

　　在輸出模式中，推輓模式時雙MOS 管以輪流方式工做，輸出數據寄存器GPIOx_ODR可控制I/O 輸出高低電平。開漏模式時，只有N-MOS 管工做，輸出數據寄存器可控制I/O輸出高阻態或低電平。輸出速度可配置，有2MHz\10MHz\50MHz 的選項。此處的輸出速度即I/O 支持的高低電平狀態最高切換頻率，支持的頻率越高，功耗越大，若是功耗要求不嚴格，把速度設置成最大便可。

　　在輸出模式時施密特觸發器是打開的，即輸入可用，經過輸入數據寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O 的實際狀態。

　　3. 複用功能(推輓/開漏)

　　複用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工做在開漏及推輓模式，可是輸出信號源於其它外設，輸出數據寄存器GPIOx_ODR 無效;輸入可用，經過輸入數據寄存器可獲取I/O 實際狀態，但通常直接用外設的寄存器來獲取該數據信號。

　　經過對GPIO 寄存器寫入不一樣的參數，就能夠改變GPIO 的工做模式，再強調一下，要了解具體寄存器時必定要查閱《STM32F10X-中文參考手冊》中對應外設的寄存器說明。在GPIO 外設中，控制端口高低控制寄存器CRH和CRL 能夠配置每一個GPIO的工做模式和工做的速度，每4 個位控制一個IO，CRH 控制端口的高八位，CRL 控制端口的低8 位，具體的看CRH 和CRL 的寄存器描述。