1.概述
GPIO是STM32最基本的外设之一，下面我们从三个角度来介绍STM32的GPIO，分别是：①GPIO原理、②相关寄存器、③库函数编程

2.GPIO工作原理
GPIO是通用输入输出端口（General-purpose input/output）的英文简写，是所有的微控制器必不可少的外设之一，可以由STM32直接驱动从而实现与外部设备通信、控制以及采集和捕获的功能。STM32单片机的GPIO被分为很多组，每组有16个引脚，不同型号的MCU的GPIO个数是不同的，比如STM32F103C8T6只有PA、PB以及个别PC引脚而STM32F103ZET6拥有PA~PG的全部112个引脚。所有的GPIO都有基本的输入输出功能，同时GPIO还可以作为其它的外设功能引脚。

作为STM32最基本的外设，GPIO最基本的输出功能是由STM32控制 引脚输出高低电平，比如可以把GPIO接LED灯来控制其亮灭，也可以接继电器或者三极管，通过继电器或三极管来控制外部大功率电路的通断。

GPIO最基本的输入功能是检测外部电平变化，比如把GPIO引脚连接到按键电路，通过电平的高低变化来识别按键是否被按下。



这是GPIO的硬件结构框图，可以从这个框图中清晰的了解GPIO外设极其各种应用模式，最右端的I/O引脚就是STM32芯片引出的GPIO引脚，其它的部件都位于芯片内部。

2.1 保护二极管及上下拉电阻
为了防止芯片被外部过高或者过低的输入电压烧坏，STM32内置保护二极管，当引脚输入电压高于VDD-FT（FT标识代表可以容忍5V电压，不同的引脚对电压的容忍值不同，需要在芯片数据手册上查找，见下图）时上方的二极管导通，当引脚电压低于Vss时，下方的二极管导通，这样就可以防止不正常的电压引入芯片导致芯片烧毁。




2.2 GPIO工作模式
STM32的GPIO共有8种工作模式，分别是输入模式的模拟输入、上拉输入、下拉输入和浮空输入以及输出模式的推挽输出、开漏输出、推挽复用输出和开漏复用输出

为了便于理解，使用结构框图来详细讲解每一种模式：

2.2.1 浮空输入模式

GPIO工作模式——浮空输入

GPIO作为输入功能的浮空输入时，电信号使由外部流向内部的，从结构图的右侧往左侧看，信号流经顺序是①端口——②施密特触发器——③输入数据寄存器——④读取

2.2.2 上拉输入模式

GPIO工作模式——上拉输入

上拉输入和浮空输入的区别就是在第①和第②之间多了一个上拉电阻，这样GPIO在没有连接外部部件时的默认电平是高电平，其它流程和原来一样。

2.2.3 下拉输入模式

GPIO工作模式——下拉输入

  下拉输入和浮空输入的区别就是在第①和第②之间多了一个下拉电阻，这样GPIO在没有连接外部部件时的默认电平是低电平，其它流程和原来一样。

2.2.4 模拟输入模式

GPIO工作模式——模拟输入

模拟输入模式和其它三种输入模式不同，它的外部电平信号没有流入输入数据寄存器，而是直接流入模拟输入部分。模拟输入一般是用来ADC读取和转换的。

2.2.5 开漏输出模式

GPIO工作模式——开漏输出

GPIO 的输出模式比输入模式复杂，首先看开漏输出模式，电平信号由STM32内部流出引脚，因此流向是①写（包括位设置/清除寄存器、输出数据寄存器）——②输出控制电路——③N-MOS管——④I/O端口

位设置/清除寄存器写入的值会映射到输出数据寄存器，最终到达输出控制电路，如果写入的是1，则N-MOS管关闭，由于N-MOS管截止，所以最后输出的电平不会由写入的1来决定，因此此时的输出为高阻态（类似浮空状态），真正的输出电压由外部的上下拉电阻来决定。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平0伏。若写入0，则N-MOS管处于开启状态，输出电流被拉到VSS，因此可以输出强低电平。输出的电平信号可以被输入数据寄存器读取。

2.2.6 开漏复用输出模式

GPIO模式——开漏复用输出

开漏复用输出和开漏输出的区别在于信号来源，复用的来源不是内部直接通过输出数据寄存器写的，而是由复用功能的外设决定的。

2.2.7 推挽输出模式

GPIO工作模式——推挽输出

推挽输出模式和开漏输出模式有一定的区别，其控制输出的寄存器是一样的，但是②部分的写1有效，即输出控制电路输出1的时候，P-MOS管导通，N-MOS管截止，这样I/O口电平就会被P-MOS管拉高，输出强高电平；相反，当输出控制电路输出0时，P-MOS管截止，N-MOS管导通，I/O端口电平被N-MOS管拉低，输出强低电平。同样，输出的电平信号可以被输入数据寄存器读取。

2.2.8 推挽复用输出模式

GPIO工作模式——推挽复用输出

推挽复用输出和推挽输出的区别在于信号来源，其信号来源是由复用功能相关的通信通道来控制。

2.3 注意事项
注意：

推挽输出可以输出强高低电平（高电平为3.3V），一般用来连接数字器件。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。

开漏输出只可输出强低电平，高电平需要靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极；要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般20ma以内）。开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏电平。

2.4 GPIO端口复用
为了最大限度的利用端口资源，STM32的大部分端口都具有复用功能。

所谓复用，就是一些端口不仅仅可以做为通用IO口，还可以复用为一些外设引脚，比如PA9,PA10可以复用为STM32的串口1引脚。复用情况可以查找数据手册，如下表所示：



从表格种可以看出，PA9和PA10引脚不仅可以作为GPIO还可以作为串口1的收发引脚使用。

2.5 GPIO端口重映射
为了方便布线  ，STM32配有端口重映射功能，所谓重映射就是可以把某些功能引脚映射到其他引脚。比如串口1默认引脚是PA9,PA10可以通过配置重映射映射到PB6,PB7。

端口的映射情况也可以通过查找数据手册来获得，如下表所示：





3.GPIO相关寄存器
STM32的每组GPIO都包含7个寄存器，分别是：

        -  GPIOx_CRL :端口配置低寄存器

        - GPIOx_CRH:端口配置高寄存器

        - GPIOx_IDR:端口输入寄存器

        - GPIOx_ODR:端口输出寄存器

        - GPIOx_BSRR:端口位设置/清除寄存器

        - GPIOx_BRR :端口位清除寄存器

        - GPIOx_LCKR:端口配置锁存寄存器

每个I/O端口位可以自由编程，然而I/O端口寄存器必须按32位字被访问(不允许半字或字节访问) 。

3.1 端口配置低寄存器（GPIOx_CRL ）






3.2 端口配置高寄存器（GPIOx_CRH ）



3.3 端口输入数据寄存器（GPIO_IDR）



  3.4 端口输出数据寄存器（GPIO_ODR）



3.5 端口位设置/清除寄存器（GPIO_BSRR)



  3.6 端口位清除寄存器（GPIO_BRR)



4.GPIO库函数配置
4.1 重要函数
初始化函数：

1. void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

复制代码

2个读取输入电平函数：

1. uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
   
2. 
   
3. uint16_t  GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

复制代码

2个读取输出电平函数：

1. uint8_t  GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
   
2. 
   
3. uint16_t  GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

复制代码

4个设置输出电平函数：

1. void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
   
2. 
   
3. void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
   
4. 
   
5. void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);
   
6. 
   
7. void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

复制代码

4.2 初始化函数

1. void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

复制代码

作用：初始化一个或者多个IO口（同一组）的工作方式和速度。

           该函数主要是操作GPIO_CRL(CRH)寄存器，在上拉或者下拉的

           时候有设置BSRR或者BRR寄存器

   GPIOx: GPIOA~GPIOG

GPIO_InitTypeDef结构体：

1. typedef struct    {
   
2. 
   
3. uint16_t GPIO_Pin;                           //指定要初始化的IO口     
   
4. 
   
5. GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; //设置IO口输出速度   
   
6. 
   
7. GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;    //设置工作模式：8种中的一个   
   
8. 
   
9. }

复制代码

注意：外设（包括GPIO)在使用之前，几乎都要先使能对应的时钟。

RCC_APB2PeriphColckCmd();

GPIO输出速度：

1. 
   
2. typedef enum {
   
3. 
   
4. GPIO_Speed_10MHz,
   
5. 
   
6. GPIO_Speed_2MHz,
   
7. 
   
8. GPIO_Speed_50MHz
   
9. 
   
10. }
    
11. 
    
12. GPIOSpeed_TypeDef;

复制代码

GPIO模式：

1. typedef enum
   
2. 
   
3. { GPIO_Mode_AIN = 0x0, //模拟输入
   
4. 
   
5. GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空输入
   
6. 
   
7. GPIO_Mode_IPD = 0x28, //输入下拉
   
8. 
   
9. GPIO_Mode_IPU = 0x48, //输入上拉
   
10. 
    
11. GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, //开漏输出
    
12. 
    
13. GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, //推挽输出
    
14. 
    
15. GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, //开漏复用输出
    
16. 
    
17. GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 //推挽复用输出
    
18. 
    
19. }GPIOMode_TypeDef;

复制代码

GPIO_Init函数初始化样例：

1. GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;  
   
2. 
   
3. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //LED0-->PB.5 端口配置  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  //推挽输出  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO口速度为50MHz  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);  //根据设定参数初始化GPIOB.5

复制代码

可以一次初始化一个IO组下的多个IO，前提是这些IO口的配置方式一样。

4.3 两个读取输入电平函数：
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);//读取GPIOA.5的输入电平

作用：读取某组GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。

4.3 四个设置输出电平函数：
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

作用：设置某个IO口输出为高电平（1）。实际操作BSRR寄存器

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

作用：设置某个IO口输出为低电平（0）。实际操作的BRR寄存器。

void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

这两个函数不常用，也是用来设置IO口输出电平。

4.4 库函数配置程序示例
下面我们以流水灯案件为例，把整个GPIO的库函数配置过程展现出来：

1. //led.h头文件
   
2. #ifndef __LED_H
   
3. #define __LED_H
   
4. #include "sys.h"
   
5. 
   
6. void LED_Init(void);
   
7. 
   
8. #endif

复制代码

1. //led.c源文件
   
2. #include "led.h"
   
3. #include "stm32f10x.h"
   
4. void LED_Init(void)
   
5. {
   
6.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   
7.         
   
8.         RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);//使能GPIOB和E
   
9.         
   
10.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;
    
11.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    
12.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
    
13.         
    
14.         GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
15.         GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
    
16. 
    
17.         GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);
    
18.         GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_5);        
    
19. }

复制代码

1. //main.c主程序
   
2. #include "stm32f10x.h"
   
3. #include "led.h"
   
4. #include "delay.h"
   
5. 
   
6. int main(void)
   
7. {
   
8. delay_init();
   
9. LED_Init();
   
10.         
    
11. while(1){
    
12.      GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5); //LED0即DS0亮
    
13.      GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_5);   //LED1即DS1灭
    
14.           delay_ms(500);
    
15.         
    
16.             GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);   //LED0即DS0灭
    
17.           GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_5); //LED1即DS1亮
    
18.           delay_ms(500);
    
19. }
    
20. }

复制代码

5. GPIO寄存器配置
库函数的优点在于移植性好、便于理解、方便学习，是我们一般编程常常使用的。但是如果只会用库函数编程，寄存器内部工作原理不闻不问，当你拿到一份带有寄存器配置片段的程序时就会一头雾水。因此，理解寄存器的配置对于更深一步的学习掌握STM32这个MCU以及在真正的工程总运用也是尤为重要的。

5.1 寄存器配置程序示例
下面是流水灯例程的寄存器版本程序，其中led.h和库函数一样的，这里就不展示了。

1. //led.c源文件
   
2. #include "led.h"
   
3. #include "stm32f10x.h"
   
4. 
   
5. void LED_Init(void){
   
6.         
   
7.         RCC->APB2ENR|=1<<3;
   
8.         RCC->APB2ENR|=1<<6;
   
9. 
   
10.         //GPIOB.5
    
11.         GPIOB->CRL&=0xFF0FFFFF;//与运算，使GPIOB的CRL寄存器第20~23位(PB5)清零
    
12.         GPIOB->CRL|=0x00300000;//或运算，使GPIOB的CRL寄存器第20~23位置位0011，即设置为推挽输出、速率为50MHz
    
13.         GPIOB->ODR|=1<<5;//或运算，使GPIOB的输出数据寄存器ODR第5位置1即PB5输出高电平
    
14.         
    
15.         GPIOE->CRL&=0xFF0FFFFF;//与运算，使GPIOE的CRL寄存器第20~23位(PE5)清零
    
16.         GPIOE->CRL|=0x00300000;//或运算，使GPIOE的CRL寄存器第20~23位置位0011，即设置为推挽输出、速率为50MHz
    
17.         GPIOE->ODR|=1<<5;//或运算，使GPIOE的输出数据寄存器ODR第5位置1即PE5输出高电平
    
18.         //GPIOE.5
    
19. }

复制代码

1. //main.c主程序
   
2. #include "sys.h"
   
3. #include "usart.h"               
   
4. #include "delay.h"         
   
5. #include "led.h"
   
6. 
   
7. int main(void)
   
8. {                                 
   
9.         
   
10.         while(1){
    
11.                 GPIOB->ODR|=1<<5;//或运算，使GPIOB的输出数据寄存器ODR第5位置1即PB5输出高电平
    
12.                 GPIOE->ODR|=1<<5;//或运算，使GPIOE的输出数据寄存器ODR第5位置1即PE5输出高电平
    
13.                 delay_ms(500);
    
14.                
    
15.                 GPIOB->ODR&=~(1<<5);//与运算，使GPIOB的输出数据寄存器ODR第5位置0即PB5输出低电平
    
16.                 GPIOE->ODR&=~(1<<5);//与运算，使GPIOE的输出数据寄存器ODR第5位置0即PE5输出低电平
    
17.                 delay_ms(500);
    
18.         }
    
19. }
    

复制代码