STM32F1学习笔记

(二)STM32学习之GPIO

1、GPIO简介

GPIO 是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32 可控制的引脚，STM32 芯片的GPIO 引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32 芯片的GPIO 被分成很多组，每组有16 个引脚，所有的GPIO 引脚都有基本的输入输出功能。

2、GPIO框图剖析

大致可分为七个模块，由箭头走向可知晓GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。

（1）保护电路

VDD为3.3V，VSS为公共接地端，当外部输入电压大于3.3V时，上面的二极管导通，保护内部芯片。如果输入为负电压，则下面的二极管导通，电流往外面流，保护内部芯片。当输入电压过大也将会烧毁芯片，切记不可用GPIO直接连接电动机，电动机具有较大得反向电动势，且积分时间短。

（2）普通输出控制

推挽输出：

所谓的推挽输出模式，是根据这两个MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS 导通，下方的N-MOS 关闭，对外输出高电平，电流往外流，形似往外推；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平，电流往里面流，则为挽留。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P管负责灌电流，N管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为0 伏，高电平为3.3 伏，具体参考图 8-2，它是推挽输出模式时的等效电路。
总结：
1、可以输出高低电平，用于连接数字器件，高电平由VDD决定，低电平由VSS决定。
2、推挽结构指两个三极管受两路互补的信号控制，总是在一个导通的时候另外一个截止，优点开关效率效率高，电流大，驱动能力强。
3、输出高电平时，电流输出到负载，叫灌电流，可以理解成推，输出低电平时，负载电流流向芯片，叫拉电流，即挽。

开漏输出：

在开漏输出模式时，上方的P-MOS 管完全不工作，则可看作是不经过P-MOS管。如果我们控制输出为0，经过反向后，则N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为1，经过反向后，N-MOS 管关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为了能正常输出高低电平，使用时必须外部接入上拉电阻，即开漏输出高电平时，电压为上拉电源电压，参考图 8-3 中等效电路。
开漏输出具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，即0 伏。
推挽输出模式一般应用在输出电平为0 和3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32 的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。
开漏输出一般应用在I2C、SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5 伏，并且把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5 伏的电平。
总结：
1、只能输出低电平，不能输出高电平。
2、如果要输出高电平，则需要外接上拉。
3、开漏输出具有“线与”功能，一个为低，全部为低，多用于I2C和SMBUS总线。

（3）输出数据寄存器（OutputDataRegister -> ODR ）

前面的双MOS管结构电路的输入信号，是由GPIO“输出数据寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器GPIOx_ODR的值就可以修改GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器GPIOx_ODR的值从而影响电路的输出。

（4）复用功能输出

“复用功能输出”中的“复用”是指STM32 的其它片上外设对GPIO 引脚进行控制，此时GPIO 引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO 本身的数据据寄存器都连接到双MOS 管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。
例如我们使用USART 串口通讯时，需要用到某个GPIO 引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO 引脚配置成USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

（5）输入数据寄存器 ( InputDataRegister -> IDR )

看GPIO 结构框图的上半部分，GPIO 引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到施密特触发器(即图中TTL肖特基触发器)，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1 的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

（6）复用功能输入

与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO 引脚的信号传输到
STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。
同样，如我们使用USART 串口通讯时，需要用到某个GPIO 引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO 引脚配置成USART 串口复用功能，使USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。

（7）模拟输入输出

当GPIO 引脚用于ADC 采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是
不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1 两种状态，而ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当GPIO 引脚用于DAC 作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC 的模拟信号输出就不经过双MOS 管结构，模拟信号直接输出到引脚。

3、GPIO八种工作模式

		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;

(1). 输入模式(模拟/浮空/上拉/下拉)

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O 状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于ADC 采集。

(2). 输出模式(推挽/开漏)

在输出模式中，推挽模式时双MOS 管以轮流方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS 管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz\10MHz\50MHz 的选项。此处的输出速度即I/O 支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。在输出模式时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O 的实际状态。

(3). 复用功能(推挽/开漏)

复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。通过对GPIO 寄存器写入不同的参数，就可以改变GPIO 的工作模式，再强调一下，要了解具体寄存器时一定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。在GPIO 外设中，控制端口高低控制寄存器CRH 和CRL 可以配置每个GPIO 的工作模式和工作的速度，每4 个位控制一个IO，CRH 控制端口的高八位，CRL 控制端口的低8 位，具体的看CRH 和CRL 的寄存器描述。

4、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

5、固件库操作GPIO代码示例

//相关宏定义
#define LED_G_GPIO_PIN             GPIO_Pin_5//绿灯
#define LED_R_GPIO_PIN             GPIO_Pin_6//红灯
#define LED_B_GPIO_PIN             GPIO_Pin_1//蓝灯
#define LED_GPIO_PORT              GPIOE//选中GPIOB口
#define LED_GPIO_CLK               RCC_APB2Periph_GPIOE//打开B口时钟

/***************具体函数***************/
void LED_GPIO_Config(void) //配置GPIO
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;//定义结构体
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(LED_GPIO_CLK, ENABLE);//开时钟
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LED_G_GPIO_PIN |LED_R_GPIO_PIN | LED_B_GPIO_PIN;//利用宏定义管理GPIO口	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//选择模式	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	
	GPIO_Init(LED_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

void LED_GPIO_Init(void)//GPIO初始化函数
{
	GPIO_SetBits(LED_GPIO_PORT, LED_R_GPIO_PIN);//将三个灯全部关闭,灯为负逻辑，低电平亮灯
	GPIO_SetBits(LED_GPIO_PORT, LED_G_GPIO_PIN);
	GPIO_SetBits(LED_GPIO_PORT, LED_B_GPIO_PIN);
}

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