一、GPIO介绍
# v* |% I* Y* F) S- [7 E) z        1.1 GPIO 简述
        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。
2 o2 B3 W/ Z3 ~5 O$ W



       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。

+ ?9 Z: |$ J* ~% g7 C' R


        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）。



  F  R  D0 \+ g! |$ n9 N" d        1.3 GPIO引脚与标记
% ~: ]) ?+ z  R9 G5 q" k/ g         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。

9 p7 F% z3 A- V6 H! g* Q: }

- I2 R" }: s( b+ T# I8 R# J        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：
2 D* A" j7 s  l4 y3 x+ k
        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；
. L. V+ l4 Q3 J% Y* X
        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。

8 x, F/ _. [$ L! u4 y        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。

/ q: `5 L3 B2 ?/ \& t# Y" J' d
! e* o3 i4 h, j4 ^8 @
         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。
, ^0 i4 m  Y. i+ Y
; C  H! C' V- }! K% Y1 N7 e
9 Z$ }! B: J, w3 z/ ~7 w8 b
         GPIO分组引脚地址在HLA宏定义数值如下。
$ I+ p* B" `1 p4 ?. {4 U

1. #define GPIO_PIN_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected    */
   , J" T! ?( b5 x9 n, A
2. #define GPIO_PIN_1                 ((uint16_t)0x0002)  /* Pin 1 selected    */
   
3. #define GPIO_PIN_2                 ((uint16_t)0x0004)  /* Pin 2 selected    */
   
4. #define GPIO_PIN_3                 ((uint16_t)0x0008)  /* Pin 3 selected    */
   - x" P# s) g$ e( \8 x+ {
5. #define GPIO_PIN_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected    */
   5 J! V: c0 |8 V* t  C) s5 |
6. #define GPIO_PIN_5                 ((uint16_t)0x0020)  /* Pin 5 selected    */
   : j! g( L  W8 g( t% M
7. #define GPIO_PIN_6                 ((uint16_t)0x0040)  /* Pin 6 selected    */
   ) w  c8 X5 g2 [& k5 a
8. #define GPIO_PIN_7                 ((uint16_t)0x0080)  /* Pin 7 selected    */
   ' N; M4 _3 n+ `6 l1 N
9. #define GPIO_PIN_8                 ((uint16_t)0x0100)  /* Pin 8 selected    */
   + M) L& x3 M( f: q( Y3 u
10. #define GPIO_PIN_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected    */
    - I  a. A, M4 X
11. #define GPIO_PIN_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected   */
    
12. #define GPIO_PIN_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected   */
    
13. #define GPIO_PIN_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected   */
    8 K  i3 D0 P/ W1 w  e0 R
14. #define GPIO_PIN_13                ((uint16_t)0x2000)  /* Pin 13 selected   */
    5 t+ X. d6 S* H7 J# @) a9 V5 d
15. #define GPIO_PIN_14                ((uint16_t)0x4000)  /* Pin 14 selected   */
    
16. #define GPIO_PIN_15                ((uint16_t)0x8000)  /* Pin 15 selected   */
    2 l6 n' F( M8 T# k1 Z) `; ]
17. #define GPIO_PIN_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /* All pins selected */

复制代码

" }9 b3 P$ f4 p  Q        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。
- ]% s  y" g: F" _0 [2 \# X; q0 ^

1. typedef struct
   
2. {
   
3.   __IO uint32_t MODER;       /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
   , q2 y5 w$ {! s& L! ]
4.   __IO uint32_t OTYPER;      /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */
   
5.   __IO uint32_t OSPEEDR;     /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */
   # r: c8 D( ^4 R. m; j5 e+ g4 B
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      */
   0 C. S# }7 S" `; t3 {
8.   __IO uint32_t ODR;         /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
   ) c' |9 b; r5 a3 ~  @( J
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      */
    
11.   __IO uint32_t AFR[2];      /*!< GPIO alternate function registers,     Address offset: 0x20-0x24 */
    ; R, e6 P$ w6 O/ n  Z! n+ d
12.   __IO uint32_t BRR;         /*!< GPIO Bit Reset register,               Address offset: 0x28      */
    
13. 
    / O6 @# I* V' [/ _+ ]; k! d
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。



         那么在生成输出代码时，会通过#define实现标识名替换。

4 |- `' A5 Y/ T5 G+ V* g

+ X" y$ V1 {: u6 M. |2 L. w3 @/ p
         1.4 GPIO原理框图及CubeMX配置
& a: C5 Z3 y6 ^) Y3 {        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。
/ P8 g" S5 y  W" X. L( ]) Q
3 k0 [% k0 C& z! r+ M) Y* w2 o
; ^' j8 @# c( d) \
) L6 G6 ?+ c+ J1 a+ g         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。
$ K  a" h9 g8 m. q/ G' N
$ `9 I8 c( N0 K# f! P3 J& @

1 F) i5 x) j3 X, c0 o5 k         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。
* E! Z% @6 [$ F5 v* D


        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。
% @/ \* V$ E# m8 {+ |


" v* Z5 \/ f) a3 f$ }9 E 二、GPIO的HLA源码分析
* z4 q' r' [, ^9 `7 z        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。
0 l5 @/ ~0 ?8 `2 P- w
        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 -----------------------------------------------------------*/
   $ J: K! e! p1 m. w
3. #define LED1_Pin GPIO_PIN_3
   
4. #define LED1_GPIO_Port GPIOE
   
5. #define KEY2_Pin GPIO_PIN_10
   
6. #define KEY2_GPIO_Port GPIOE
   
7. #define KEY0_Pin GPIO_PIN_11
   ) ?9 v0 k* z; J
8. #define KEY0_GPIO_Port GPIOE
   
9. #define KEY1_Pin GPIO_PIN_14
   
10. #define KEY1_GPIO_Port GPIOE
    7 b5 A) o1 u) C8 W' T6 w: G
11. #define LED2_Pin GPIO_PIN_15
    
12. #define LED2_GPIO_Port GPIOD
    
13. #define LED0_Pin GPIO_PIN_6
    
14. #define LED0_GPIO_Port GPIOB
    * S/ b" ~% O1 m+ q8 |* x
15. /* USER CODE BEGIN Private defines */
    7 s8 o0 ^. }# S9 ^1 t
16. //gpio.c
    
17. void MX_GPIO_Init(void)
    
18. {
    
19. 
    . i: \+ I$ {. u# [* G  U: Y
20.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
21. 
    + @% r- w( |/ D  Y. n
22.   /* GPIO Ports Clock Enable */
    / z. g/ m; A5 Y5 C8 V. w3 g$ F
23.   __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    
24.   __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    
25.   __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
    9 j8 K) ^" t$ ^# D  e3 B" ]) l
26.   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    
27.   __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
    
28.   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    / h: J/ f7 M3 x! P$ E
29. 
    
30.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    
31.   HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    $ g! d1 u0 k/ x5 b3 o! E1 O8 [! D
32. 
    ! O5 c, ^  U9 _
33.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    
34.   HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
35. 
    ! p# x+ F! ?5 d9 q3 B- `- u. G+ w
36.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    
37.   HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    . n* m% B7 Z% }+ y) [& R
38. 
    $ I) d, g- f/ e
39.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    - X4 \- K& }0 Z% @; p
40.   GPIO_InitStruct.Pin = LED1_Pin;
    6 e# P9 g9 I8 S# R3 y
41.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
42.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
43.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
44.   HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
45. 
    8 |. P/ p9 g! M* g' l: ^% @) [4 R
46.   /*Configure GPIO pins : PEPin PEPin PEPin */
    : G. ~# K$ \, ^) r* _; r# ?: t
47.   GPIO_InitStruct.Pin = KEY2_Pin|KEY0_Pin|KEY1_Pin;
    * x3 E- e0 k7 K/ @6 r2 y
48.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    % z& v; Z" F1 p6 ]
49.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    " }+ I  [& x- m2 _" ]9 l
50.   HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);
    
51. 
    
52.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    $ Z: `( G6 ^, a8 u0 |
53.   GPIO_InitStruct.Pin = LED2_Pin;
    3 @% a' h$ K( O9 T$ T, }
54.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    9 p( l9 o: r9 D! `! E
55.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    $ I/ y$ ^2 {1 ?8 J* t2 M% `* n/ r
56.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
57.   HAL_GPIO_Init(LED2_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
58. 
    7 T0 O: z3 T7 z: Q( {# {
59.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    6 n; \# S: b" ?( @& i1 \  y/ _
60.   GPIO_InitStruct.Pin = LED0_Pin;
    6 f) k  N# S' s( w, A6 C$ x
61.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
62.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    . t3 ~6 P( L4 d2 k& W& M
63.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    ; }. L- c/ q$ v2 r
64.   HAL_GPIO_Init(LED0_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
65. 
    
66. }

复制代码

. n+ T" E3 s0 E- Y" [( _# S3 M+ Z        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）。

& U& H8 @% |: V$ D* u9 f7 R

        2.2 GPIO的开发应用接口API简述
        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：

, U0 n  \8 o! x/ ^( \& ~0 q
9 d: b- k+ }6 R  ?9 B/ f
, y9 n0 I" g' e) X: ~         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。
: l5 x2 e7 ?/ x2 K; B, C3 p) V- O( b
        关于外部中断回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback，该函数是弱函数
9 t" n1 U# }$ A" R% e


( F, m2 _  u5 E0 y, C        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
  {( U9 E2 P3 y' Z. C0 _5 y


        并开启该引脚的中断支持
% R5 Z) J/ s, S& ^

- R9 M/ C0 `+ B* r2 `0 \
         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）：
% e) ~: j4 m3 u9 d5 L8 N

1. /* USER CODE BEGIN 0 */
   
2. void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
   : }7 a  K/ E3 n" u) a% P: z
3. {
   
4.         if(GPIO_Pin==KEY0_Pin)
   0 G0 `6 |7 x" G7 t$ {! \9 \
5.         {
   - E8 U, a  d. Y% }' |
6.                 static uint32_t key0_count = 0;
   
7.                 printf("this is %lu count for HAL_GPIO_EXTI_Callback!\r\n",key0_count++);
   . u' n% W3 O: v1 F
8.                 Toggle_led0();//LED0等状态反转一次
   
9.         }
   6 B# S) m% \. i; V. U% g' K3 K! M
10. }
    5 W3 o6 c$ Q" D0 \9 O  m2 F
11. /* USER CODE END 0 */

复制代码

; c, b8 l3 a; b! @         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。
, U- f; r0 M4 K7 y. [, E
        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。
) I( }! Y# G! U0 |————————————————
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