STM32之GPIO底层原理与编程实践

什么是GPIO

　　GPIO全称为General Purpose Input Output，中文理解为通用输入输出端口。它指的是编程可控制的引脚，即可以控制引脚是作为输入来用，还是输出功能，又或者是交给片上外设使用(复用)。

 

GPIO结构框图

　　理解GPIO硬件电路的实现，有助于编程的理解。下图是官方手册给出的GPIO框图：

 

　　此框图中只有最右端的I/O pin是板上外露可见的，其他部分均在芯片内部。该框图结构被分为两个部分，其一是输出结构，主要由引脚（I/O pin）、保护二极管（protection diode）、双MOS管(P-MOS+N-MOS)、输出控制(output control)、输出数据寄存器(output data register)、位置位/复位寄存器(bit set/reset register)组成 ；其二是输入结构，由引脚、保护二极管、双开关(on/off)、TTL肖特基触发器(TTL Schmitt trigger)、输入数据寄存器(input data register)组成。　　

保护二极管

　　两个二极管构成了双向限幅电路。当外部输入电压大于VDD时，上方二极管导通(全文皆忽略二极管和MOS管导通压降)，使得电压限制在VDD左右；当外部输入电压低于VSS，下方二极管导通，电压限制在VSS左右。然而这样的保护并不能使引脚直接驱动大功率器件，例如电机，就需要外加驱动电路。

双开关

　　这个双开关电路与上拉、下拉和浮空模式有关，当处于上拉模式时上方开关闭合，下方断开，除非引脚的外部输入为低电平，否则输入到肖特基触发器的电平都是高电平；当处于下拉模式时上方开关断开，下方闭合，除非引脚的外部输入为高电平，否则输入到肖特基触发器的电平都是低电平；当处于浮空模式时开关全部断开，电平默认为高阻态，输入的电平完全取决于外部输入。上下拉多用于按键检测，而浮空则常用于ADC检测。

肖特基触发器

　　该触发器主要是将模拟电压转为0/1数字信号，上图中模拟输入（Analog input）就取自触发器之前，而输入数据寄存器则取自触发器之后的数字信号。

输入数据寄存器

　　这个寄存器用来存储各个引脚电平状态，可通过读取该寄存器内容，来获取任意引脚状态。

位置位/复位寄存器

　　通过读写该寄存器，可以间接地更改输出数据寄存器的值。

输出数据寄存器

　　可以直接读写该寄存器，来更改各个引脚的输出状态，当寄存器值保持不变时，每个引脚的电平也就不发生变化。

双MOS管

　　双MOS管组成一个推挽输出(push-pull)电路，当输出寄存器中值为1时，经过反相器，两管的共栅极输入低电平，则PMOS导通，NMOS截止，引脚输出高电平；当输出寄存器中值为0时，经过反相器，两管的共栅极输入高电平，则NMOS导通，PMOS截止，引脚输出低电平。

　　当PMOS被禁用时，电路变为开漏输出，引脚仍可输出低电平，但无法正常输出高电平，取而代之的是高阻态。如果此时想要输出高电平，则必须接上拉电阻。开漏输出仅在一些特殊场合下使用，更多的是推挽输出。

 

GPIO寄存器

APB2外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR)

　　RCC_APB2ENR并不属于GPIO的寄存器组，但是它控制着GPIO的引脚时钟使能，芯片上电后，所有外设时钟默认是关闭的，所以在使用GPIO前要先打开端口时钟使能。该寄存器内容如下，我们只关心IOPxEN位，置1则开启时钟。

　　　　

　　　　　　　

 

端口配置低位寄存器(GPIOx_CRL)

　　该寄存器可配置低8个GPIO引脚的工作模式：模拟输入、浮空输入、上拉\下拉输入、通用推挽输出、通用开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出。复用输入模式没有单独的配置，只要将引脚配置为浮空/上拉/下拉输入模式，由片上外设驱动即可。CRL还可以在输出模式下配置工作频率，频率越大，功耗越高。注意每个引脚模式配置占4bit。对于上拉\下拉输入来说，是上拉还是下拉取决于ODR寄存器配置的值。

　　　　

 

端口配置高位寄存器(GPIOx_CRH)

　　该寄存器同GPIOx_CRL，只是它控制的是高8个GPIO引脚的工作模式。

　　　　

 

输入数据寄存器(GPIOx_IDR)

　　该寄存器存储了当前引脚的状态，无论GPIO在哪种工作模式下，都可以读取该寄存器——在复用模式下，一般选择直接读取外设寄存器。注意在模拟输入模式下，IDR寄存器的值一直为0。

　　　　

 

 　　　　

输出数据寄存器(GPIOx_ODR)

　　在通用输出模式下，该寄存器可用来控制输出电平的高低；在复用模式下，ODR无效。此外，在上拉或下拉输入模式下，ODR可决定是上拉还是下拉。

　　　　

 

 

 　　

位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)

　　通过该寄存器，可以单独控制某个引脚的电平变化。因为向这个寄存器写0的结果是无操作，写1是置位或者复位，所以访问该寄存器可以直接用=号；而ODR寄存器写0则表示给低电平，写1表示给高电平，为了不影响其他引脚，写入必须用&=和|=号。另外还有个寄存器叫GPIOx_BRR，同该寄存器差不多，只不过BRR只能复位，高16位是保留的。

　　　　

 

 

 

GPIO编程

　　GPIO最常用的就是通用推挽输出和上拉/下拉输入这两种模式。一下程序实现功能为：

　　　　PA0为按键输入，按下为低电平。PC13是led控制引脚，低电平点亮LED。当按下按键时，LED亮;松开按键时，LED灭。

　　　　程序代码如下，根据GPIO原理，编程顺序一般是：先开启时钟使能，配置引脚工作模式，最后给引脚电平信号。

　　

int main(void)
{
    
    uint32_t key_value;
    
    //开启GPIO外设时钟使能
    //PORTA,第三位置1
    RCC->APB2ENR |= (1<<2);
    //PORTC,第五位置1
    RCC->APB2ENR |= (1<<4);
    
    //GPIO输入输出模式配置
    //清零PA0控制位
    GPIOA->CRL &= ~((uint32_t)(0x0F)<<(4*0));
    //设置PA0为上拉输入
    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));
    //设置PC13为推免输出
    GPIOC->CRH |=  (uint32_t)(0x01)<<(4*5);
    
    
    while(1){
            //获取PA0电平状态,key_value==1表示按键没有按下
            key_value = (GPIOA->IDR & (uint32_t)(0x01)) == (uint32_t)(0x01);
            //改变PC13电平
            if (key_value==0)
                //PC13低电平输出
                GPIOC->ODR &= ~((uint32_t)(0x01)<<13);                
            else
                //PC13高电平输出
                GPIOC->ODR |= (uint32_t)(0x01)<<13;
    }
}