一、GPIO介绍
1 o. r. i: x2 J$ U( B        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。
+ m1 G2 w" F2 ~  u) x5 f9 H6 o
& }6 y$ g2 T6 X& K; c! [6 e        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。




       1.2 STM32 GPIO寄存器
( }0 B% ?' |1 q! ^  [/ z: S         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。



# u& z! n! o8 [6 s: E. U) p* @: \
% F* t$ x& y( W+ a        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）。

; `2 |1 q7 P3 L4 l( j

( k! a6 g8 _  B# i! {: A        1.3 GPIO引脚与标记
         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。

7 c! Q/ f- |# ~3 H( i" R0 o
# z+ n1 N# |& m
2 J, I) P5 Y; p$ Y# W  ]5 y        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：
" B4 D6 l/ _, g  r  x) ~8 A+ [& F
        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；

        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。

7 ]/ c% d$ Z  ~' e3 p# l$ a8 i" p        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。

9 t/ U' d% ]4 t

/ ~  c* a1 S; k% T9 U( j9 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。

5 {- I) k+ p5 E) G; o

% C9 g& U) r. C/ y2 w         GPIO分组引脚地址在HLA宏定义数值如下。

1. #define GPIO_PIN_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected    */
   
2. #define GPIO_PIN_1                 ((uint16_t)0x0002)  /* Pin 1 selected    */
   
3. #define GPIO_PIN_2                 ((uint16_t)0x0004)  /* Pin 2 selected    */
     E* q  P# k* M. j
4. #define GPIO_PIN_3                 ((uint16_t)0x0008)  /* Pin 3 selected    */
   
5. #define GPIO_PIN_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected    */
   ) [& y$ T% B1 d! }1 v3 s. y  q
6. #define GPIO_PIN_5                 ((uint16_t)0x0020)  /* Pin 5 selected    */
     T6 V6 P7 E* }; v# ?6 }1 z& o$ o
7. #define GPIO_PIN_6                 ((uint16_t)0x0040)  /* Pin 6 selected    */
   
8. #define GPIO_PIN_7                 ((uint16_t)0x0080)  /* Pin 7 selected    */
   
9. #define GPIO_PIN_8                 ((uint16_t)0x0100)  /* Pin 8 selected    */
   
10. #define GPIO_PIN_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected    */
    
11. #define GPIO_PIN_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected   */
    
12. #define GPIO_PIN_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected   */
    7 ^- ~* {" w6 L9 j* V
13. #define GPIO_PIN_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected   */
    
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   */
    5 `/ X( ?8 T% p* [3 k7 V
17. #define GPIO_PIN_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /* All pins selected */

复制代码

8 _" n* x+ b9 W        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 q. O6 p# n; \

1. typedef struct
   . ]( ]% M4 F' @& s
2. {
   
3.   __IO uint32_t MODER;       /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
   + {2 Y( |0 h9 b* v8 w
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      */
   
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      */
   ' ~- F- f+ p* ~( a
8.   __IO uint32_t ODR;         /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
   3 m+ D8 X: K& O4 ^6 z/ I
9.   __IO uint32_t BSRR;        /*!< GPIO port bit set/reset  register,     Address offset: 0x18      */
   # ?3 H% ~2 D* e/ F+ ~
10.   __IO uint32_t LCKR;        /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C      */
    1 A8 Q3 Y; ^0 O
11.   __IO uint32_t AFR[2];      /*!< GPIO alternate function registers,     Address offset: 0x20-0x24 */
    1 s4 r$ h! F* I% f% |0 X) {
12.   __IO uint32_t BRR;         /*!< GPIO Bit Reset register,               Address offset: 0x28      */
    
13. 
    
14. } GPIO_TypeDef;

复制代码

+ h5 i# u# i2 n        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。
, p3 Y" e; L& q9 @! ^3 t
8 I- G0 L/ T1 Q/ J' M
( R: A7 }# Z9 b" s1 R' \8 k
         那么在生成输出代码时，会通过#define实现标识名替换。


3 C) @- [+ n6 d  L- G
/ v9 q) I, m; h- {7 e, R
+ o- A4 ^4 [6 U# T) o         1.4 GPIO原理框图及CubeMX配置
        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。
; d; D! _, e  K0 v
- N) [8 a! p; f0 _/ a: j
* Q1 p! g) l/ y1 R
/ e6 j$ T2 {% S& h( E7 i         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。



         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。
  J+ k, u( X; f
* _  u+ ~$ M) e

        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。
  M2 p, M9 l/ ?3 ~5 T6 X( n
- W& M& E1 e8 f/ r: t
$ a& M& _, {& y! O' ]4 R
" `  D8 J) R4 Y( o 二、GPIO的HLA源码分析
& C7 n- f# l' L0 @2 Z; M; T        2.1 HLA库GPIO初始化
+ m) D6 x' m% k4 b( T4 U4 Y        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。
. F7 J8 }, i4 h7 ~
        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。
, |# b- j8 g# [# l! }7 X) d

1. //main.h
   
2. /* Private defines -----------------------------------------------------------*/
   
3. #define LED1_Pin GPIO_PIN_3
   % c7 d; |& K# I
4. #define LED1_GPIO_Port GPIOE
   
5. #define KEY2_Pin GPIO_PIN_10
   5 P) X" v+ H7 _; U2 a) a$ j2 S
6. #define KEY2_GPIO_Port GPIOE
   * [# z7 C# V, l! q' B' f
7. #define KEY0_Pin GPIO_PIN_11
   9 P9 U/ }) j# _* n8 r& L
8. #define KEY0_GPIO_Port GPIOE
   
9. #define KEY1_Pin GPIO_PIN_14
   ) O+ i8 V5 a' p
10. #define KEY1_GPIO_Port GPIOE
    
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
    " ]( k7 f7 v5 C& m# L/ l
15. /* USER CODE BEGIN Private defines */
    
16. //gpio.c
    
17. void MX_GPIO_Init(void)
    
18. {
    
19. 
    
20.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
21. 
    5 N$ D) j6 a. l4 I; `
22.   /* GPIO Ports Clock Enable */
    
23.   __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    
24.   __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    
25.   __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
    
26.   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
      o+ `, h; u6 \
27.   __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
    
28.   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    + r  K1 F, Z% @: I: H( b- q0 e
29. 
    7 x3 }0 A0 \$ n  V' J
30.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    
31.   HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    " p9 V  V7 S7 ?+ l5 D7 }: n
32. 
    
33.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    2 Y* R0 O* o( m; t/ x
34.   HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
35. 
    2 r+ G' o, Y1 U1 E
36.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    
37.   HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
38. 
    
39.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    / V, o( K$ n) t! v( v0 p$ r
40.   GPIO_InitStruct.Pin = LED1_Pin;
    
41.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    7 U7 t6 _9 [$ y6 x1 ?( c
42.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    0 S2 V* g% [  Z' O  j+ h; x
43.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
44.   HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
45. 
    
46.   /*Configure GPIO pins : PEPin PEPin PEPin */
    9 P6 k2 ^' H8 y# E/ k! U$ x5 w
47.   GPIO_InitStruct.Pin = KEY2_Pin|KEY0_Pin|KEY1_Pin;
    , Z8 y$ K' t- U" h# \
48.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    
49.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    3 I0 x8 z6 O1 U
50.   HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);
    $ d$ S2 `: C5 ?
51. 
    6 V9 ?' d" E7 @- q1 [5 A% l
52.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    
53.   GPIO_InitStruct.Pin = LED2_Pin;
    0 R; {6 b9 l5 b9 s/ o! p
54.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
55.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
56.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    6 k2 B5 y- ]1 \3 x5 O& k9 [" k
57.   HAL_GPIO_Init(LED2_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    6 t7 B' J8 b. P5 _3 F
58. 
    
59.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    # o) q5 E2 X5 a* N/ a/ r
60.   GPIO_InitStruct.Pin = LED0_Pin;
    
61.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    : Q; r' e# X* ^- O$ ?# ?& v$ ?
62.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    % J4 U* Q2 \- y3 R
63.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
64.   HAL_GPIO_Init(LED0_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    2 B8 A2 F  I1 g
65. 
    ( r6 A0 m' f( ~9 B' |
66. }

复制代码

0 T% x, |8 [: m! D: P! J        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+ i0 N+ O5 `- n
        2.2 GPIO的开发应用接口API简述
: s; K4 p7 N, x4 o5 c5 x        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：
$ ?  L+ c0 A/ w

0 Y3 u. x3 X! u
         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。

. ?. i- m* y6 M. X        关于外部中断回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback，该函数是弱函数


& \, |2 s8 z# v7 K1 J# n; Y
# h7 {9 u; Q- K: b: o! B        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
6 x( c( j2 h! @& I* {' ?- h6 }
% a5 o; {1 N* \9 D9 r6 B( }3 O

        并开启该引脚的中断支持
6 T8 Z2 i. m( N4 }* }: o
* I9 h6 b0 p6 @! Z

         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）：

1. /* USER CODE BEGIN 0 */
   : ]. E  ?3 }5 z" I, w
2. void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
   
3. {
   
4.         if(GPIO_Pin==KEY0_Pin)
   
5.         {
   4 k& C5 ^* m3 m
6.                 static uint32_t key0_count = 0;
   
7.                 printf("this is %lu count for HAL_GPIO_EXTI_Callback!\r\n",key0_count++);
   # `1 w4 Z5 t0 T  z; W) u  B6 R
8.                 Toggle_led0();//LED0等状态反转一次
   
9.         }
   & N) a1 |6 C4 L, L1 s
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。
& ~* O2 N  h( z: N6 n) ^8 J# ?
        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。
: c+ Q) s6 z+ ]0 r# ~7 ?: O1 N' ?————————————————
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) t; j4 Y# K- i6 Z