【经验分享】STM32：GPIO口的使用

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STMCU小助手发布时间：2022-2-6 19:49

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文章简介:	STM32：GPIO口的使用

前言

　　"GPIO的使用1"中主要从内核代码开始，从寄存器的地址映射开始，对GPIO的封装和操作执行逻辑详细分析了一下；

　　内核的函数接口标准是都是一样的CMSIS，了解了GPIO外设的原理，也就了解了其他外设是如何封装的；

　　GPIO使用时先确定是否为外设复用；目的是确定输入输出数据是给外设处理，还是存放在GPIO寄存器里就完了；

　　然后确定IO的输入输出模式；目的是通过软件配置，选择端口在芯片内部的电路连接方式；

　　GPIO上电默认为浮空输入模式，禁止了上下拉电阻；上下拉电阻默认30-50kΩ；保护二极管防止电流反向击穿；

　　0.1 输入模式

　　　　上拉输入：使能上拉电阻的连接，断开下拉电阻的连接；

　　　　下拉输入：断开上拉电阻的连接，使能下拉电阻的连接；

　　　　模拟输入：将IO引脚连接至内部ADC；　　

　　0.2 输出模式

　　　　推挽输出：将P-MOS管和N-MOS管以推挽方式连接；通过两个MOS管的导通与截止来输出高低电平；配置上下拉电阻不使能；

　　　　　　　　特点是既可以消耗负载的拉电流，也可以向负载输出拉电流，开关时间快；

　　　　开漏输出：P-MOS管始终截止，通过N-MOS管结合上下拉电阻，控制输出高低电平；配置上下拉电阻同时使能；

　　　　　　　　特点是输出高电平的驱动能力完全由上拉电阻决定，输出低电平的驱动能力十分稳定；

　　0.3 可以将多个开漏输出并连至同一个上拉电阻，形成"线与"逻辑；当其中一个开漏输出输出低电平时，相当于并联回路被导线短路；其他输出也被接到地了；

　　0.4 TSM32H7IO口总的电流最大值为140mA,单个IO口的电流最大值为20mA;具体硬件参数见数据手册；

　　0.5 TTL和CMOS电平标准手册可以查看安富莱论坛：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87676

1 GPIO port

　　STM32一共有7组GPIO port，分别是GPIOA[15:0]~GPIOG[15:0]，每组GPIO port 有16个 pin；每组GPIO port都有一组寄存器；

　　GPIO寄存器的控制单位是GPIO port，而不是pin；所以寄存器的最小处理单位是一个16位的字长(0xFFFF)；

　　至于寄存器的配置我们之后小节在解析，首先来了解一下标准库是如何将GPIO映射到地址上的；

/*stm32f10x.h 1408-1414行声明如下*/
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
/* stm32f10x.h 1001-1010行；
*把结构体的首地址映射到GPIO的首寄存器地址，就可以通过该结构体对硬件寄存器操作；
*结构体的地址通过结构体指针来赋值对应上*/
#define __IO volatile /*core_cm3.h NO.116*/
typedef struct
{
__IO uint32_t CRL;
__IO uint32_t CRH;
__IO uint32_t IDR;
__IO uint32_t ODR;
__IO uint32_t BSRR;
__IO uint32_t BRR;
__IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;
/*stm32f10x.h 1315-1321;*/
#define GPIOA_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOE_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
#define GPIOF_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
#define GPIOG_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)
/*stm32f10x.h 1282-1283; GPIO都属于APB2总线，使用的时候要使能APB2总线的时钟源；*/
#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000)
/*stm32f10x.h 1274*/
#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)

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2 GPIO 寄存器

　　GPIO涉及的寄存器较多，复用功能和重映射功能都需要配置专门的AFIO寄存器，但是本节暂时没有涉及；

　　本节主要介绍了通用GPIO口涉及到的7个寄存器，具体寄存器的说明和使用如下；

　　2.1 CRL端口配置低寄存器，CRH端口配置高寄存器 control register low，control register high；

　　　　CRL和CRH都是32位寄存器，如下图所示，一起用来控制该组GPIO port的16个引脚配置；

　　　　2.1.1 CRL和CRH寄存器复位值为0x4444_4444；CRL偏移地址：0x00，CRH偏移地址：0x04；配置信息封装如下；

//定义了CRH和CRL寄存器需要的参数；以下声明在stm32f10x_gpio.h的前200行；
typedef struct
{
uint16_t GPIO_Pin; /*用16位bit的每一位分别表示一个引脚*/
GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; /*用2位bit来表示输出模式的最大速度*/
GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode; /*CNF MODE,具体见结构体*/
}GPIO_InitTypeDef;
#define GPIO_Pin_0 ((uint16_t)0x0001) /*0000 0000 0000 0001b*/
#define GPIO_Pin_1 ((uint16_t)0x0002) /*0000 0000 0000 0010b*/
#define GPIO_Pin_2 ((uint16_t)0x0004) /*0000 0000 0000 0100b*/
#define GPIO_Pin_3 ((uint16_t)0x0008) /*0000 0000 0000 1000b*/
#define GPIO_Pin_4 ((uint16_t)0x0010) /*0000 0000 0001 0000b*/
#define GPIO_Pin_5 ((uint16_t)0x0020) /*0000 0000 0010 0000b*/
#define GPIO_Pin_6 ((uint16_t)0x0040) /*0000 0000 0100 0000b*/
#define GPIO_Pin_7 ((uint16_t)0x0080) /*0000 0000 1000 0000b*/
#define GPIO_Pin_8 ((uint16_t)0x0100) /*0000 0001 0000 0000b*/
#define GPIO_Pin_9 ((uint16_t)0x0200) /*!< Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10 ((uint16_t)0x0400) /*!< Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11 ((uint16_t)0x0800) /*!< Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12 ((uint16_t)0x1000) /*!< Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13 ((uint16_t)0x2000) /*!< Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14 ((uint16_t)0x4000) /*!< Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15 ((uint16_t)0x8000) /*!< Pin 15 selected */
#define GPIO_Pin_All ((uint16_t)0xFFFF) /*!< All pins selected */
#define IS_GPIO_PIN(PIN) ((((PIN) & (uint16_t)0x00) == 0x00) && ((PIN) != (uint16_t)0x00))
typedef enum
{
GPIO_Speed_10MHz = 1, /*output MODE[1:0]*/
GPIO_Speed_2MHz, /*output MODE[1:0]*/
GPIO_Speed_50MHz /*output MODE[1:0]*/
}GPIOSpeed_TypeDef;
#define IS_GPIO_SPEED(SPEED) (((SPEED) == GPIO_Speed_10MHz) || ((SPEED) == GPIO_Speed_2MHz) || \
((SPEED) == GPIO_Speed_50MHz))
typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0, /*0000 0000b [4]0 input [3:0]CNF+MODE*/
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, /*0000 0100b [4]0 input [3:0]CNF+MODE*/
GPIO_Mode_IPD = 0x28, /*0010 1000b [4]0 input [5]下拉,[3:0]CNF+MODE*/
GPIO_Mode_IPU = 0x48, /*0100 1000b [4]0 input [6]上拉,[3:0]CNF+MODE*/
GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, /*0001 0100b [4]1 output,[3:2]CNF*/
GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, /*0001 0000b [4]1 output,[3:2]CNF*/
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, /*0001 1100b [4]1 output,[3:2]CNF*/
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 /*0001 1000b [4]1 output,[3:2]CNF*/
}GPIOMode_TypeDef;
#define IS_GPIO_MODE(MODE) (((MODE) == GPIO_Mode_AIN) || ((MODE) == GPIO_Mode_IN_FLOATING) || \
((MODE) == GPIO_Mode_IPD) || ((MODE) == GPIO_Mode_IPU) || \
((MODE) == GPIO_Mode_Out_OD) || ((MODE) == GPIO_Mode_Out_PP) || \
((MODE) == GPIO_Mode_AF_OD) || ((MODE) == GPIO_Mode_AF_PP))
#define IS_GET_GPIO_PIN(PIN) (((PIN) == GPIO_Pin_0) || ((PIN) == GPIO_Pin_1) ||((PIN) == GPIO_Pin_2) || \
((PIN) == GPIO_Pin_3) || ((PIN) == GPIO_Pin_4) || ((PIN) == GPIO_Pin_5) || \
((PIN) == GPIO_Pin_6) || ((PIN) == GPIO_Pin_7) || ((PIN) == GPIO_Pin_8) || \
((PIN) == GPIO_Pin_9) || ((PIN) == GPIO_Pin_10) || ((PIN) == GPIO_Pin_11) || \
((PIN) == GPIO_Pin_12) ||((PIN) == GPIO_Pin_13) || ((PIN) == GPIO_Pin_14) || \
((PIN) == GPIO_Pin_15))
typedef enum
{ Bit_RESET = 0,
Bit_SET
}BitAction;

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　　　　2.1.2 配置CRL和CRH的初始化代码如下；

/*以下代码位于stm32f10x_gpio.c中，配置相应port的CRL和CRH*/
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)
{
uint32_t currentmode = 0x00, currentpin = 0x00, pinpos = 0x00, pos = 0x00;
uint32_t tmpreg = 0x00, pinmask = 0x00;
assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_InitStruct->GPIO_Mode));
assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin));
currentmode = ((uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Mode) & ((uint32_t)0x0F); //currentmode保留了GPIO_Mode[3:0]；
if ((((uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Mode) & ((uint32_t)0x10)) != 0x00)//如果GPIO_Mode[4]为1，表示为输出模式；
{
/*if(输出模式)，将CNF[1:0]和MODE[1:0]的信息保存到currentmode[3:0]*/
assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_InitStruct->GPIO_Speed));
currentmode |= (uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Speed;//currentmode或上GPIO_Speed[1:0]；
}
/*以下部分为CRL Configuration*/
if (((uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Pin & ((uint32_t)0x00FF)) != 0x00) //if(是低8位pin)；
{
tmpreg = GPIOx->CRL; //temreg存放CRL寄存器的信息；
for (pinpos = 0x00; pinpos < 0x08; pinpos++) //pinpos为几，表示引脚几；
{
pos = ((uint32_t)0x01) << pinpos;
currentpin = (GPIO_InitStruct->GPIO_Pin) & pos; //currentpin:要么为当前pin值，要么为0;
if (currentpin == pos)
{
pos = pinpos << 2; //pos:引脚对应的CRL配置位
pinmask = ((uint32_t)0x0F) << pos; //pinmask:引脚对应的CRL[3:0]置1
tmpreg &= ~pinmask; //temreg中对应引脚的[3:0]清0
tmpreg |= (currentmode << pos); //temreg中对应引脚的[3:0]配置成currentmode[3:0]
//此处的if else应该是通过ODR来配置硬件，由中文参考手册8.1.7原理图推测可知
if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPD) //if(输入连下拉电阻)
{
GPIOx->BRR = (((uint32_t)0x01) << pinpos); //通过配置ODR的16bit，对应pin的bit置0，连接下拉电阻；
}
else
{
if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPU)//if(输入连上拉电阻)
{
GPIOx->BSRR = (((uint32_t)0x01) << pinpos); //通过配置ODR的16bit，对应pin的bit置1，连接上拉电阻；
}
}
}
}
GPIOx->CRL = tmpreg; //把配置好对应pin脚的temreg放回CRL中
}
/*---------------------------- GPIO CRH Configuration ------------------------*/
/* Configure the eight high port pins */
if (GPIO_InitStruct->GPIO_Pin > 0x00FF)
{
tmpreg = GPIOx->CRH;
for (pinpos = 0x00; pinpos < 0x08; pinpos++)
{
pos = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
/* Get the port pins position */
currentpin = ((GPIO_InitStruct->GPIO_Pin) & pos);
if (currentpin == pos)
{
pos = pinpos << 2;
/* Clear the corresponding high control register bits */
pinmask = ((uint32_t)0x0F) << pos;
tmpreg &= ~pinmask;
/* Write the mode configuration in the corresponding bits */
tmpreg |= (currentmode << pos);
/* Reset the corresponding ODR bit */
if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPD)
{
GPIOx->BRR = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
}
/* Set the corresponding ODR bit */
if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPU)
{
GPIOx->BSRR = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
}
}
}
GPIOx->CRH = tmpreg;
}
}