一、GPIO介绍
        1.1 GPIO 简述
* [5 C- u( [! v0 o9 X        GPIO(General purpose input/output，通用型输入输出)，一个引脚可以用于输入、输出或其他特殊功能，PIN脚依现实需要可作为通用输入（GPI）或通用输出（GPO）或通用输入与输出（GPIO），并多个GPIO一起组合可实现诸如UART、SPI等外设功能。

        GPIO是通过寄存器操作来实现电平信号输入输出的，对于输入，通过读取输入数据寄存器（IDR，Input Data Register）来确定引脚电位的高低；对于输出，通过写入输出数据寄存器（ODR,Output Data Register）来让这个引脚输出高电位或者低电位；对于其他特殊功能，则有另外的寄存器来控制它们。GPIO的输出通常可以输出0/1信号，用来实现如LED灯、继电器、蜂鸣器等控制，而GPIO的输入可识别0/1信号，用来实现开关、按键等等动作或状态判定。




* l" U2 j1 _: Q2 K, K       1.2 STM32 GPIO寄存器
         STM32中GPIO的寄存器是MCU分配的一个连续存储区域，按存储地址划分出不同功能寄存器，如下图所示，有Port mode寄存器、Output Type寄存器等等。
( Z; }, y7 ^1 y" s7 p9 i# j( Z7 K
: Q" ?3 V  R6 ?7 _% j7 B2 U

$ w, T/ s9 x; a7 ]0 p5 j2 v0 e. x
        在HLA库中，这些寄存器的数值（宏定义）通常会放在/Drivers/CMSIS/Device/ST/STM32L4xx/Include/stm32XXX.h头文件中，供开发者调用，例如STM32L496VGTx的开发板，该头文件具体名是stm32l496xx.h，自8977行起到10008行，具是按上述表宏定义了GPIO各寄存器的各个数据位可设置数据值（偏移（POS）及相应数值）。


" a4 k) q. z' [: M. |1 f
        1.3 GPIO引脚与标记
" I* I, s4 W+ d. w5 x( D2 W         在一个STM32 MCU芯片中，所有引脚本质都是GPIO引脚，只是鉴于全GPIO引脚开发者使用起来比较不方便，于是才通过各个GPIO组合形成针对各个外设的IO接口。在CubeMX中，以STM32L496VGTx芯片为例，可以直观看到该芯片有100个引脚：LQFP100，LQFP是封装，100指的是引脚数。
3 f# j- f! e0 x; B
: ?+ z5 V8 n9 p  e

: q- ^; A  b( M; s2 a: ?5 N1 q        STM32的MCU标记一般有两种，直插IC以半圆条口为标记，贴片IC以小圆点为标记，也有缺口及小点都有标记的。通常将标记圆点或缺口正面朝左上角，左上角的下方脚为第一脚，依次围绕芯片中心逆时针计数，在旋转360度以后，左上角右方角为最后一脚。如上图所示，STM32L496VGTx引脚序号如蓝色字体及箭头所示标记。STM32的MCU的引脚标记有三种方式：
) `, n% G, n, ^6 S: B; J! D
# R5 Y2 x2 L( E; m        一种是基于上面所述的100个序号排序P1、Pn等，这种标记目前一般是在直接操作寄存器地址或使用标准库中使用，目前HLA库、LL库已经不提供直接地址偏移方式的API了，而是给没一组分组提供了独立寄存器来处理该组引脚；
9 I! T# ~$ Z$ @" G5 E- {  c
' m) r$ T! ^0 g( p  ~        第二种是标准库或HLA库宏定义了引脚分组，一般为A、B、C、...，按大写字母次序网线，目前支持到16组类别，每组为PX0~PX15，其标记就是分组名+0~15序号，例如GPIOB+GPIO_PIN_3。
. b7 L% J- j/ f
% @0 X2 B9 i; s5 D* q" `        注意，目前STM32的MCU设计是最大16组类别，支持到256引脚（16*16），通过STM32命名规范可以得知，STM32最做引脚支持到256个，但一般会少于引脚数/16的组数，因为不少引脚在芯片设计时就特别支持了其引脚标识，如VSS、VDD等。另外也不是每组必须0~15序号全用完，分组主要是方便设计及使用时进行引脚区分而已。
) r6 Q. K$ s1 W" _' t

' B. G6 \4 N/ s! ?
7 s/ Z1 f, B* T6 H! E* ]0 r5 Q         目前HLA库主要就是这种方式，例如来看看GPIO读取数据的API（HAL_GPIO_ReadPin）实现，主要就是根据引脚序号（0~15）来读取IDR寄存器内对应数据位的数值。
% A; c7 T" ?# F3 k% g


         GPIO分组引脚地址在HLA宏定义数值如下。
- \3 H1 o  h6 {% b$ w% b) @

1. #define GPIO_PIN_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected    */
   - S% W6 ~, H/ ]6 m+ [' n
2. #define GPIO_PIN_1                 ((uint16_t)0x0002)  /* Pin 1 selected    */
   9 b: ~, x- q9 L( O1 D
3. #define GPIO_PIN_2                 ((uint16_t)0x0004)  /* Pin 2 selected    */
   
4. #define GPIO_PIN_3                 ((uint16_t)0x0008)  /* Pin 3 selected    */
   
5. #define GPIO_PIN_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected    */
   8 r+ s6 W7 j0 V; }
6. #define GPIO_PIN_5                 ((uint16_t)0x0020)  /* Pin 5 selected    */
   : d1 K2 b% z+ \
7. #define GPIO_PIN_6                 ((uint16_t)0x0040)  /* Pin 6 selected    */
   0 \8 }7 a  q/ `6 G' E' K
8. #define GPIO_PIN_7                 ((uint16_t)0x0080)  /* Pin 7 selected    */
   
9. #define GPIO_PIN_8                 ((uint16_t)0x0100)  /* Pin 8 selected    */
   ; f  L8 m. N1 t' H7 E; l  R5 O
10. #define GPIO_PIN_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected    */
    / L. F0 Z  b% D! p
11. #define GPIO_PIN_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected   */
    % e+ _* k) w/ X3 F  Y/ d* @
12. #define GPIO_PIN_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected   */
    
13. #define GPIO_PIN_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected   */
    , q, _" T. G% m" d, w) j, p( S& @% m
14. #define GPIO_PIN_13                ((uint16_t)0x2000)  /* Pin 13 selected   */
    
15. #define GPIO_PIN_14                ((uint16_t)0x4000)  /* Pin 14 selected   */
    
16. #define GPIO_PIN_15                ((uint16_t)0x8000)  /* Pin 15 selected   */
    
17. #define GPIO_PIN_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /* All pins selected */

复制代码

        而GPIO各个分组的IDR寄存器为32bit宽度的数据，目前只用到低16位字段。
3 R* [) a  q* c' L- q

1. typedef struct
   
2. {
   
3.   __IO uint32_t MODER;       /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
   8 {6 j9 k; B4 h3 y
4.   __IO uint32_t OTYPER;      /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */
   # s0 a! s/ M9 \4 O1 e/ H
5.   __IO uint32_t OSPEEDR;     /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */
   
6.   __IO uint32_t PUPDR;       /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,  Address offset: 0x0C      */
   
7.   __IO uint32_t IDR;         /*!< GPIO port input data register,         Address offset: 0x10      */
   : y6 a8 S1 H( c- J+ \7 i
8.   __IO uint32_t ODR;         /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
   - U3 A! u0 `8 c1 H
9.   __IO uint32_t BSRR;        /*!< GPIO port bit set/reset  register,     Address offset: 0x18      */
   
10.   __IO uint32_t LCKR;        /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C      */
    4 L5 r+ q0 \/ o. |( h3 s4 K
11.   __IO uint32_t AFR[2];      /*!< GPIO alternate function registers,     Address offset: 0x20-0x24 */
    
12.   __IO uint32_t BRR;         /*!< GPIO Bit Reset register,               Address offset: 0x28      */
    ( ?. Z8 d& U: t% R1 b; n" o
13. 
    
14. } GPIO_TypeDef;

复制代码

        第三种引脚标记其实就是在第二种方式基础上，为引脚设置别名，在cubeMX设置引脚mode后，会开启该引脚，在引脚参数设置列表可以设置该引脚标识名，例如下图，设置PE3（P2）为输出模式（GPIO_Output），的别名为LED1。

  |& {" @0 {& P% P/ p( n# R, \
3 C7 r/ C/ S, X6 Z7 S- O+ U: s1 j6 d
         那么在生成输出代码时，会通过#define实现标识名替换。
, e' O4 U: N" ]* n) ]* w' R



         1.4 GPIO原理框图及CubeMX配置
! M8 u4 b- X; S7 D7 {; U) X$ O. n        进一步，再看看GPIO结构原理图，它支持4种GPIO输入模式(浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入)和4种GPIO输出模式(开漏输出、开漏复用输出、推挽输出、推挽复用输出)。因此才能通过多种输入输出模式组合来实现更复杂的其他外设功能。
" x/ T$ ~' R! {, L! A
. C5 I0 L9 Z, a! d
' Z$ b) K, M7 `6 }$ P. k
         在cubeMX中在GPIO配置界面中，可以配置GPIO引脚的GPIO输入模式以及其他参数设置。
; ]0 M6 }+ L! s4 g. i

5 ~2 M2 A3 n# a$ v- b8 E+ U) {' g% a
         同样地，在cubeMX中在GPIO配置界面中，可以配置GPIO引脚的GPIO输出模式以及其他参数设置。
4 u3 ?6 B/ k) U2 X) I
% h. f( H8 n4 g/ N
* |' c% s) K& _9 ^" B4 ]
        另外各种基于GPIO组合实现的外设，也可在GPIO栏的各个外设页面下，单独设置各个引脚的GPIO输入或输出模式。

- d% S5 S/ e9 L# x5 J
+ T4 Q2 I5 c) G8 O) Q. C) K
二、GPIO的HLA源码分析
        2.1 HLA库GPIO初始化
        通过cubeMX生成输出源码，如果配置GPIO引脚功能，则cubeMX生成代码时，设置了为每个外设生成独立.h/.c文件时，会在Core源码目录下的Inc及Src目录，分别生成gpio.h和gpio.c驱动文件，否则将会GPOI相关输出函数放置main.h和main.c中。

# C. @6 a6 F9 P) Q! H: T$ _        在gpio.c文件中，主要定义了MX_GPIO_Init函数，该主要做三件事情，一是启动各个GPIO分组寄存器的时钟，二是对于输出GPIO引脚实现初始值写入，三是将在cubeMX上配置引脚参数写入到参数缓存区域，并依据缓存参数，调用HLA库的HAL_GPIO_Init来实现真正的初始化设定。如下面代码所示。

1. //main.h
   
2. /* Private defines -----------------------------------------------------------*/
   
3. #define LED1_Pin GPIO_PIN_3
   
4. #define LED1_GPIO_Port GPIOE
   
5. #define KEY2_Pin GPIO_PIN_10
   ' `2 i* U+ i. u6 u/ F0 b7 r& X
6. #define KEY2_GPIO_Port GPIOE
   0 K2 V) s- a- j6 ]9 @' F
7. #define KEY0_Pin GPIO_PIN_11
   
8. #define KEY0_GPIO_Port GPIOE
   3 f5 U9 u- j9 M6 C' c
9. #define KEY1_Pin GPIO_PIN_14
   & r  k2 D$ ~3 m7 }
10. #define KEY1_GPIO_Port GPIOE
    ! [: C6 o, S/ [
11. #define LED2_Pin GPIO_PIN_15
    
12. #define LED2_GPIO_Port GPIOD
    3 R& e  X+ x: z& a! D, q( k
13. #define LED0_Pin GPIO_PIN_6
    
14. #define LED0_GPIO_Port GPIOB
    $ Y% |; u. D1 i8 A: G
15. /* USER CODE BEGIN Private defines */
    
16. //gpio.c
    
17. void MX_GPIO_Init(void)
    
18. {
    4 _+ ?' ~" F' r% G2 _
19. 
    
20.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    8 {  B" D5 Q) h2 ~, s/ D
21. 
    
22.   /* GPIO Ports Clock Enable */
    + }0 F7 d, @' ^: c  X$ I' U, i. P
23.   __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    
24.   __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    
25.   __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
    
26.   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    : ]0 f2 P" d4 }+ }) h
27.   __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
    
28.   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
29. 
    8 }$ J- Y3 }4 d. ?! q) ~) h
30.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    
31.   HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
32. 
    ; E2 I, R2 W6 ]1 x% ]9 f8 @
33.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    0 K3 }7 p. W. j0 a
34.   HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
35. 
    6 N, k2 n! p3 w1 s
36.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    / h" N  e. P5 z0 c5 ]
37.   HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    ( E( b/ i) T/ G5 d
38. 
    
39.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    4 O5 ?  `% r. U" M7 Y. w) L+ J3 L
40.   GPIO_InitStruct.Pin = LED1_Pin;
    / l# r/ Y  n2 r- f1 C0 r
41.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    + |, V3 Z4 @: Z6 V7 |7 G, b
42.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
43.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    : a6 x9 R6 ]4 v4 a& a/ q7 D
44.   HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    3 t. }9 l0 i' C* T: k
45. 
    & y5 P6 @% D2 r: N
46.   /*Configure GPIO pins : PEPin PEPin PEPin */
    
47.   GPIO_InitStruct.Pin = KEY2_Pin|KEY0_Pin|KEY1_Pin;
    
48.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    + k! T: `- }$ L+ B0 M
49.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    4 y/ r& X  E; K) c3 S" e  F* R
50.   HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);
    9 @: h2 o6 m! I/ f( f" C% R. T3 n
51. 
    ' h( x* J& h5 E4 X1 D! z
52.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    
53.   GPIO_InitStruct.Pin = LED2_Pin;
    9 P3 Y- c7 {$ d7 g) w
54.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    " }+ s* i: R& d( P3 Q% @: E6 `
55.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    - d! n9 A8 k' f$ G. M( b
56.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
57.   HAL_GPIO_Init(LED2_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    % `  k0 ~( p5 u8 v: x
58. 
    
59.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    5 v. Y0 U2 J3 k" B# `. ~, ^8 t
60.   GPIO_InitStruct.Pin = LED0_Pin;
    ! H) b: R9 t, ]) M6 b* c( o
61.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
62.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    " g" V- `7 z: E6 t
63.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
64.   HAL_GPIO_Init(LED0_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
65. 
    
66. }

复制代码

        在stm32l4xx_hal_gpio.c源文件中定义了HAL_GPIO_Init函数，它做以下事情：1）诊断先前缓存配置参数是否合规，2）再将缓存配置参数写入到GPIO的寄存器内，完成GPIO的初始化设定（GPIO 的Mode、Pull、Analog、Alternate、Direction、EXTI等）。
: z1 D$ k7 V& T1 ?( F


& q2 B0 P9 _0 c8 d7 b6 _        2.2 GPIO的开发应用接口API简述
$ }- q3 d% J" y, O7 b9 Z0 F. h        除了提供GPIO初始化API外，STM32的HLA针对GPIO还外开发这提供如下API：
2 z7 \4 ]8 g# Z+ O1 x9 d


6 r2 k( T! D0 ~         GPIO对数据的读取主要是HAL_GPIO_ReadPin函数，写入主要是HAL_GPIO_WritePin、HAL_GPIO_TogglePin函数，其参数都是GPIO_TypeDef* GPIOx和 uint16_t GPIO_Pin，前者就是前面参数的分组如GPIOA、GPIOB等，后者就是Pin0~Pin15，例如GPIO_PIN_3。
& ?8 v7 ^5 _8 v* s
        关于外部中断回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback，该函数是弱函数
/ |- v" i2 F5 B; W/ Z& m# o5 ?; `; H
8 M8 ]0 R( k( G4 N' l8 m1 Y& p
' q5 b; q' j% _% `# V
        若需要使用该函数，使其生效，首先需要在cubeMX配置界面，将GPIO引脚调整为GPIO_EXTI类型
! a6 F  o/ q* ~0 G


        并开启该引脚的中断支持

0 [/ i0 V% H; e0 W* P
/ ^4 \6 l! H  j3 _. J! Q
         就可以重新实现stm32l4xx_hal_gpio.c文件中的HAL_GPIO_EXTI_Callback函数来实现GPIO外部中断回调功能，例如设置如下，则实现按键KEY0按下异常，触发回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback调用，从而实现LED0灯状态反转（点亮或熄灭）：
7 ^( l& ^4 Z  U: i8 P1 N% u$ n

1. /* USER CODE BEGIN 0 */
   & C; u+ e. K- o
2. void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
   8 ?3 [' M) J: e
3. {
   ( {. o5 \' E* _+ t
4.         if(GPIO_Pin==KEY0_Pin)
   % O% q. A  D9 |5 b( T" e/ l- h) O7 d
5.         {
   7 m6 U6 i+ z5 R9 }% D
6.                 static uint32_t key0_count = 0;
   6 y& P: z5 x; Z7 g7 t
7.                 printf("this is %lu count for HAL_GPIO_EXTI_Callback!\r\n",key0_count++);
   
8.                 Toggle_led0();//LED0等状态反转一次
     _) p) K9 T! D% b3 r( ?
9.         }
   - a+ R% m* q0 N+ }  d, ]% w: C
10. }
    
11. /* USER CODE END 0 */

复制代码

         同样地对于外部中断请求函数HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler也可以类似地进行调整实现GPIO外部中断触发器调用，从而实现我们需要的业务应用。

. a5 j. m7 }) \5 I        GPIO的HLA库中，HAL_GPIO_LockPin函数，主要是操作lock寄存器数值的，lock寄存器会针对GPIOx_MODER, GPIOx_OTYPER, GPIOx_OSPEEDR等GPIO寄存器配置对应的状态标记，而其他寄存器操作时，会先去lock寄存器读取其使用状态来确定是否能进行相关操作，从而确保防止冲突及达成一致性。
$ Y: @$ }- `1 j2 p% W3 D————————————————
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