跑马灯实验
5 D* d  m  j+ q2 d* r6 n5 d本章将通过一个经典的跑马灯程序，带大家开启STM32H750之旅。通过本章的学习，我们将了解到STM32H750的IO口作为输出使用的方法。我们将通过代码控制开发板上的RGB灯：LED0、LED1和LED2交替闪烁，实现类似跑马灯的效果。
- u, ~' [6 ]# N/ P
' ~2 w6 L" `- o) }8 V: |- a" \1 R; J+ Y13.1 STM32H7 GPIO简介
GPIO是控制或者采集外部器件的信息的外设，既负责输入输出。它按组分配，每组16个IO口，组数视芯片而定。STM32H750VBT6芯片是100脚的芯片，它的IO口有82个，IO分为5组，分别是GPIOA-GPIOE。这里GPIOA-GPIOE，16*5=80个IO口，少了两个，还有两个就是PH0和PH1。PH0和PH1用于连接外部高速晶振。
这里重点说一下STM32H750的IO电平兼容性问题，STM32H750的绝大部分IO口，都兼容5V，至于到底哪些是兼容5V的，请看STM32H750VBT6.pdf的数据手册（注意是数据手册，不是中文参考手册），见表：Table 7 STM32H750xB pin/ball definition，凡是有FT标志的，都是兼容5V电平的IO口，可以直接接5V的外设（注意：如果引脚设置的是模拟输入模式，则不能接5V！)，凡是不是FT标志的，大家就不要接5V了，可能烧坏MCU。对 Table 7符号的描述如下：
7 F. E6 z. i8 f$ P/ j" j9 I4 v, z+ d


0 n' \1 _3 P; N表13.1.1 IO口属性缩写符号表
* W" n, T& h7 z( w0 Y3 o13.1.1 GPIO功能模式
& s7 u- j' ~3 x9 f: E9 L+ e: oGPIO有八种工作模式，分别是：
1、输入浮空
$ R, @- l" ?) a- u1 L2、输入上拉
3、输入下拉
4、模拟
$ y5 B  x) K% V% p( G5、开漏输出
/ h9 r3 x5 B+ [6、推挽输出
7、开漏式复用功能
; \; Z" M- Q, S; D* W8、推挽式复用功能

2 A7 n6 ?/ s: j, ]13.1.2 GPIO基本结构分析
6 C. ]6 x# s8 @$ i& f7 v% s我们知道了GPIO有八种工作模式，具体这些模式是怎么实现的？下面我们通过GPIO的基本结构图来分别进行详细分析，先看看总的框图，如图13.1.2.1 所示。



图13.1.2.1 GPIO的基本结构图
如上图所示，可以看到右边只有I/O引脚，这个I/O引脚就是我们可以看到的芯片实物的引脚，其他部分都是GPIO的内部结构。
① 保护二极管
保护二极管共有两个，用于保护引脚外部过高或过低的电压输入。当引脚输入电压高于VDD时，上面的二极管导通，当引脚输入电压低于VSS时，下面的二极管导通，从而使输入芯片内部的电压处于比较稳定的值。虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大电流的接入很容易烧坏芯片。所以在实际的设计中我们要考虑设计引脚的保护电路。
② 上拉、下拉电阻
它们阻值大概在30~50K欧之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄存器控制。当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电平由引脚内部上、下拉决定，开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高，开启内部下拉电阻工作，则引脚电平为低。同样，如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是我们所说的浮空模式。浮空模式下，引脚的电平是不可确定的。引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。需要注意的是，STM32的内部上拉是一种“弱上拉”，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是得外部上拉。
! X, G2 c* [6 o3 z7 U3 P6 m; F③ 施密特触发器
对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。
施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰，其应用包括在开回路配置中用于抗扰，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。
! N1 `1 d9 d' U& b6 u# o下面看看比较器跟施密特触发器的作用的比较，就清楚的知道施密特触发器对外部输入信号具有一定抗干扰能力，如图13.1.2.2所示。
" K) X7 e% i' T  R5 i" p8 G
; `* s, v3 V7 W
. C' R6 w" M8 \( r; i, d! d
图13.1.2.2 比较器的（A）和施密特触发器（B）作用比较
, G+ J7 Z- k. T( p④ P-MOS管和N-MOS管
这个结构控制GPIO的开漏输出和推挽输出两种模式。开漏输出：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。推挽输出：这两只对称的MOS管每次只有一只导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。推拉式输出既能提高电路的负载能力，又能提高开关速度。
$ N7 Q- ?+ }: C上面我们对GPIO的基本结构图中的关键器件做了介绍，下面分别介绍GPIO八种工作模式对应结构图的工作情况。
1、输入浮空
输入浮空模式：上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器打开，输出被禁止。输入浮空模式下，IO口的电平完全是由外部电路决定。如果IO引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。该模式可以用于按键检测，RX1等。
& R9 }; m" p7 m& ~
2 j* \+ H: O  ?* V5 a  z8 J

图13.1.2.3 输入浮空模式
0 [! \: d* [7 d2、输入上拉
! a3 T: s1 G& Q+ ~" @7 K输入上拉模式：上拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。



图13.1.2.4 输入上拉模式
# n% [! H& u* F* z. b9 `. _3、输入下拉
输入下拉模式：下拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部下拉电阻的时候，可以使用内部下拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较大，所以不适合做电流型驱动。
+ z9 O3 R, N7 z4 G/ C9 L# j. ~
$ N+ S( ~# E' u7 j$ F
. q( }: S/ }# I  r3 [
, m# b$ {9 k3 U/ ^9 g3 s% E: i* c! ~图13.1.2.5 输入下拉模式
9 ^& y) ^' e* w( u6 O( Z' t4、模拟功能
模拟功能：上下拉电阻断开，施密特触发器关闭，双MOS管也关闭。该模式用于ADC采集或者DAC输出，或者低功耗下省电。
! u* y+ o, i7 m) F


图13.1.2.6 模拟功能
5、开漏输出
开漏输出模式：STM32的开漏输出模式是数字电路输出的一种，从结果上看它只能输出低电平Vss或者高阻态。根据《STM32H7xx参考手册_V3（中文版）.pdf》第451页关于“GPIO输出配置”的描述，我们可以推知开漏模式下输出电路大致是这样工作的：
% N* {  B$ K$ b+ Z9 aP-MOS被“输出控制”控制在截止状态，因此IO的状态取决于N-MOS的导通状况。
只有N-MOS还受控制于输出寄存器，“输出控制器”对输入信号进行了逻辑非的操作。
) V% p* V/ p0 v- S0 ?5 YIO到输入电路的采样电路仍被打开，且可以选择是否使用上下拉电阻。
根据参考手册的描述，我们替换了“输出控制”部分，作出了如图13.1.2.7的开漏模式下的简化等效图，图中①的输入对应的②的输出是我们最关心的开漏输出的结果。简化后的图13.1.2.7能更好地表示开漏输出模式的输出关系。
: T$ _7 J0 M2 W  W! y+ X4 Q开漏输出的具体的理解描述如下：
6 y0 J* g. J1 K# B# l; z开漏模式下，P-MOS管是一直截止的，所以P-MOS管的栅极一直接VSS。如果输出数据寄存器设置为0时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑1到N-MOS管的栅极，这时N-MOS管就会导通，使得I/O引脚接到VSS，即输出低电平。
, M+ \( \% J; T如果输出数据寄存器设置为1时，经过“输出控制器”的逻辑非操作后，输出逻辑0到N-MOS管的栅极，这时N-MOS管就会截止。因为P-MOS管是一直截止的，使得I/O引脚呈现高阻态，即不输出低电平，也不输出高电平。因此要I/O引脚输出高电平就必须接上拉电阻。这时可以接内部上拉电阻，或者接一个外部上拉电阻。由于内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”。需要大电流驱动，请接外部的上拉电阻。此外，上拉电阻具有线与特性，即如果有很多开漏模式的引脚连在一起的时候，只有当所有引脚都输出高阻态，电平才为1，只要有其中一个为低电平时，就等于接地，使得整条线路都为低电平0。我们的IIC通信（IIC_SDA）就用到这个原理。
另外在开漏输出模式下，施密特触发器是打开的，所以IO口引脚的电平状态会被采集到输入数据寄存器中，如果对输入数据寄存器进行读访问可以得到IO口的状态。也就是说开漏输出模式下，我们可以对IO口进行读数据。
0 F, T/ W. K& b2 Q; w* [
' A; `3 W; Z+ M% e& a/ w- R/ {
1 j% V1 U+ E7 {% x$ B
图13.1.2.7 开漏输出模式
' O2 L% Q+ L# `8 v6、推挽输出
推挽输出模式：STM32的推挽输出模式，从结果上看它会输出低电平VSS或者高电平VDD。推挽输出跟开漏输出不同的是，推挽输出模式P-MOS管和N-MOS管都用上。同样地，我们根据参考手册推挽模式下的输出描述，列出等效原理如图13.1.2.8所示，根据手册描述可以把“输出控制”简单地等效为一个非门。
推挽输出的具体的理解描述如下：
如果输出数据寄存器设置为0时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑1到P-MOS管的栅极，这时P-MOS管就会截止，同时也会输出逻辑1到N-MOS管的栅极，这时N-MOS管就会导通，使得I/O引脚接到VSS，即输出低电平。
6 p9 u& l( l0 i. b! S如果输出数据寄存器设置为1时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑0到N-MOS管的栅极，这时N-MOS管就会截止，同时也会输出逻辑0到P-MOS管的栅极，这时P-MOS管就会导通，使得I/O引脚接到VDD，即输出高电平。
上面的描述可以知道，推挽输出模式下，P-MOS管和N-MOS管同一时间只能有一个MOS管是导通的。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有很大的提高。
3 `2 r3 {0 U. y2 ~( t: t7 V6 c另外在推挽输出模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取IO口的电平状态。
由于推挽输出模式输出高电平时，是直接连接VDD ，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达25mA。该模式也是最常用的输出模式。
; X5 d5 E' g3 V" w( E& ?


图13.1.2.8 推挽输出模式
6 L0 W: G9 w0 g7 N1 ?. `6 L7、开漏式复用功能
开漏式复用功能：一个IO口可以是通用的IO口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是IO口的复用功能。一个IO口可以是多个外设的功能引脚，我们需要选择作为其中一个外设的功能引脚。当选择复用功能时，引脚的状态是由对应的外设控制，而不是输出数据寄存器。除了复用功能外，其他的结构分析请参考开漏输出模式。
+ d: t+ x' T6 d. ], m  d& N另外在开漏式复用功能模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取IO口的电平状态，同时外设可以读取IO口的信息。

0 E! u  U" y8 ?% s

图13.1.2.9 开漏式复用功能
8、推挽式复用功能
推挽式复用功能：复用功能介绍请查看开漏式复用功能，结构分析请参考推挽输出模式，这里不再赘述。

( w. u: s3 H9 |5 W4 Q* t& a( J
# P9 s* O  d( `9 w7 ]* f# t
图13.1.2.10 推挽式复用功能
/ w' T$ m) b: k- s) ?- Y2 K
, c  s, A7 l$ U- A13.1.3 GPIO寄存器介绍
STM32H7每组（这里是A~E）通用GPIO口有10个32位寄存器控制，包括 ：
2 h, M" {2 ?2 Z# V( H8 K4 个 32 位配置寄存器（MODER、OTYPER、OSPEEDR 和 PUPDR）
2 个 32 位数据寄存器（IDR 和 ODR）
1 个 32 位置位/复位寄存器 (BSRR)
( m6 z" a) D+ C* i7 @0 p" M, e8 M1 个 32 位锁定寄存器 (LCKR)
% w$ d, R9 L/ l6 h0 d* @2 个 32 位复用功能选择寄存器（AFRH 和 AFRL）
$ g/ I) K6 ?7 L  Z$ E/ z  u8 J5 \下面我们将带大家理解本章用到的寄存器，没有介绍到的寄存器后面用到会继续介绍。这里主要是带大家学会怎么理解这些寄存器的方法，其他寄存器理解方法是一样的。因为寄存器太多不可能一个个列出来讲，以后基本就是只会把重要的寄存器拿出来讲述，希望大家尽快培养自己学会看手册的能力。下面先看GPIO的4个32位配置寄存器：
& M& P& K  p5 m5 PGPIO端口模式寄存器 (GPIOx_MODER) (x =A…K)
该寄存器是GPIO口模式控制寄存器，用于控制GPIOx（STM32H7最多有11组IO，用大写字母表示，即x=A/B/C/D/E/F/G/H/I/J/K，下同）的工作模式，寄存器描述如图13.1.3.1所示。



图13.1.3.1 MODER寄存器描述
9 u( u2 b8 ?) Q# o5 r% \' q5 \每组GPIO下有16个IO口，该寄存器共32位，每2个位控制1个IO。我们看看这个寄存器的复位值，然后用复位值举例说明一下这样的配置值代表什么意思。比如GPIOA的复位值是0xABFF FFFF，低16位都是1，也就是PA0PA7默认都是模拟模式。高16位的值是0xABFF，也就是PA8PA12默认是模拟模式，PA13\PA14\PA15则默认是复用功能模式。而GPIOB的复位值是0xFFFF FEBF，只有PB3默认是复用功能模式，其他默认都是模拟模式。这四个默认是复用功能模式的IO口都是JTAG功能对应的IO口。
GPIO端口输出类型寄存器 (GPIOx_OTYPER) (x = A…K)
该寄存器用于控制GPIOx的输出类型，寄存器描述如图13.1.3.2所示。

, n3 A4 H- Z& B* m  M
- |" K. D; d& W% l
图13.1.3.2 GPIOx OTYPER寄存器描述
该寄存器仅用于输出模式，在输入模式（MODER[1:0]=00/11时）下不起作用。该寄存器低16位有效，每一个位控制一个IO口，复位后，该寄存器值均为0，也就是在输出模式下IO口默认为推挽输出。
GPIO端口输出速度寄存器 (GPIOx_OSPEEDR) (x = A…K)
该寄存器用于控制GPIOx的输出速度，寄存器描述如图13.1.3.3所示。
% i+ e( ^0 R/ o
& w) h( j' t5 T: @  a# B

3 ?7 m3 A* Z/ j+ B$ y$ U+ O图13.1.3.3 GPIOx OSPEEDR寄存器描述
( J; y1 N$ d. R  p" n该寄存器仅用于输出模式，在输入模式（MODER[1:0]=00/11时）下不起作用。该寄存器低16位有效，每两个位控制一个IO口。
GPIO端口上拉/下拉寄存器 (GPIOx_PUPDR) (x = A…K)
8 g: T1 K8 g: k' N# N9 I该寄存器用于控制GPIOx的上拉/下拉，寄存器描述如图13.1.3.4所示。



图13.1.3.4 GPIOx PUPDR寄存器描述
该寄存器每两个位控制一个IO口，用于设置上下拉，复位后，该寄存器值一般为0，即无上拉或下拉。
$ g+ f" B* n1 b/ V( v+ t% H. U上面这4个配置寄存器就是用来配置GPIO的相关模式和状态，它们通过不同的配置组合方法，就决定我们所说的8种工作模式。下面，我们来列表阐述，如表13.1.3.1所示。



表13.1.3.1 4个配置寄存器组合下的8种工作模式
因为本章需要GPIO作为输出口使用，所以我们再来看看端口输出数据寄存器。
, ?8 ?; M3 M4 A( v% b/ D端口输出数据寄存器（ODR）
该寄存器用于控制GPIOx的输出高电平或者低电平，寄存器描述如图13.1.3.5所示。


# [2 ~; D% \; B! C2 R5 e
图13.1.3.5 GPIOx ODR寄存器描述
该寄存器低16位有效，分别对应每一组GPIO的16个引脚。当CPU写访问该寄存器，如果对应的某位写0(ODRy=0)，则表示设置该IO口输出的是低电平，如果写1(ODRy=1)，则表示设置该IO口输出的是高电平，y=0~15。
除了ODR寄存器，还有一个寄存器也是用于控制GPIO输出的，它就是BSRR寄存器。
端口置位/复位寄存器（BSRR）
, G/ [' H) R: Q1 _* D该寄存器也用于控制GPIOx的输出高电平或者低电平，寄存器描述如图13.1.3.6所示。

$ F  J: O0 e, _8 _# w! D
: p& |- w4 c8 ?6 M2 h- G& i& E& \
- f" }" Y6 z5 x4 p. o图13.1.3.6 GPIOx BSRR寄存器描述
2 y8 Z  T* i: ^为什么有了ODR寄存器，还要这个BDRR寄存器呢？我们先看看BSRR的寄存器描述，首先BSRR是只写权限，而ODR是可读可写权限。BSRR寄存器32位有效，对于低16位（0-15），我们往相应的位写1(BSy=1)，那么对应的IO口会输出高电平，往相应的位写0(BSy=0)，对IO口没有任何影响，高16位（16-31）作用刚好相反，对相应的位写1(BRy=1)会输出低电平，写0(BRy=0)没有任何影响，y=0~15。
也就是说，对于BSRR寄存器，你写0的话，对IO口电平是没有任何影响的。我们要设置某个IO口电平，只需要相关位设置为1即可。而ODR寄存器，我们要设置某个IO口电平，我们首先需要读出来ODR寄存器的值，然后对整个ODR寄存器重新赋值来达到设置某个或者某些IO口的目的，而BSRR寄存器，我们就不需要先读，而是直接设置即可，这在多任务实时操作系统中作用很大。BSRR寄存器还有一个好处，就是BSRR寄存器改变引脚状态的时候，不会被中断打断，而ODR寄存器有被中断打断的风险。

13.2 硬件设计
1.例程功能
% `; `4 j* B3 G4 f6 M/ \2 V! aRGB灯：LED0（红）、LED1（绿）和LED2（蓝）每过500ms一次交替闪烁，实现类似跑马灯的效果。
2.硬件资源
1）RGB灯
LEDR : LED0 - PB4（红）
4 h9 c% v" X2 R4 w( i/ cLEDG : LED1 - PE6（绿）
: O: D8 H2 i& ~: R+ B# g. v% XLEDB : LED2 - PE5（蓝）
3.原理图
: w' ~- j( ^9 k' m* @4 a本章用到的硬件用到RGB灯：LEDR、LEDG和LEDB。电路在开发板上已经连接好，所以在硬件上不需要动任何东西，直接下载代码就可以测试使用。其连接原理图如图13.2.1所示：
, T, C4 E: h# ^0 G9 i* @$ f- V$ q" Y
, v, g# d9 i, W6 v$ U9 _5 @

5 H: e2 J. O3 ?9 [# B图13.2.1 LED与STM32H750连接原理图
% i1 K( i; l7 ]! I下面，给大家介绍一下LED灯的压降和额定电流，供大家设计硬件参考。
直插超亮发光二极管压降，主要有三种颜色，然而三种发光二极管的压降都不相同，具体压降参考值如下：
. m2 i2 l: `% l红色发光二极管的压降为2.0V-2.2V。
$ t4 J' r9 ~# y* P9 T6 N" N4 Q黄色发光二极管的压降为1.8V-2.0V。
绿色发光二极管的压降为3.0V-3.2V。
正常发光时的额定电流约为20mA。
* I. R# |( o* x* J- Q% t! G贴片LED压降：
红色的压降为1.82-1.88V，电流5-8mA。
' n" H' k$ j2 A! t2 I# |8 z! ^& O绿色的压降为1.75-1.82V，电流3-5mA。
橙色的压降为1.7-1.8V，电流3-5mA。
5 h- c. G% c: a; D蓝色的压降为3.1-3.3V，电流8-10mA。
白色的压降为3-3.2V，电流10-15mA。
LED发光颜色的不同，需要的驱动电压也有差异。我们使用的LED0和LED1是红绿两个颜色的贴片灯珠，它的正常工作驱动电流典型值约为25mA/1.8V。而STM32的GPIO的输出电流也大概是25mA/3.3V，所以可以直接用STM32的IO驱动这种LED。但STM32对总的输出电流有限制，为了经过LED的电流更稳定，我们一般不用STM32的IO直接输出电流驱动LED，而是通过外接电阻的方式限制灌入STM32的电流。如我们使用红灯时灌到IO口的最大电流约为（3.3-1.8）V/510R≈2.94mA。

7 j" _6 S5 n  G9 Q6 z8 I9 S

9 v7 I* `! l8 E- e图13.2.2 STM32 IO的电气参数
  j1 h0 T' J  J+ t, E+ V+ Q
4 ]& h6 ~0 |9 R. r& D: Z3 g+ N+ s13.3 程序设计
$ p# O1 z5 x4 {2 _! E+ d9 r9 d了解了GPIO的结构原理和寄存器，还有我们的实验功能，下面开始设计程序。
13.3.1 GPIO的HAL库驱动分析
HAL库中关于GPIO的驱动程序在stm32h7xx_hal_gpio.c文件以及其对应的头文件。
1.HAL_GPIO_Init函数
要使用一个外设我们首先要对它进行初始化，所以我们先看外设GPIO的初始化函数。其声明如下：
( L8 j, G0 T0 N, j% W" X# Q! I9 y, d3 Svoid HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);
! p7 c2 |! Z4 o2 _9 [函数描述：
用于配置GPIO功能模式，还可以设置EXTI功能。
函数形参：
形参1是端口号，可以有以下的选择：

1. #define GPIOA               ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
   
2. #define GPIOB               ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
   
3. #define GPIOC               ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
   3 t: n+ e8 d, N3 r8 a5 r: U  {
4. #define GPIOD               ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
   
5. #define GPIOE               ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
   
6. #define GPIOF               ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
   
7. #define GPIOG               ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
   
8. #define GPIOH               ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)
   
9. #define GPIOI               ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE)
   % a6 \2 w. N! q$ k2 V2 o
10. #define GPIOJ               ((GPIO_TypeDef *) GPIOJ_BASE)
    
11. #define GPIOK               ((GPIO_TypeDef *) GPIOK_BASE)

复制代码

这是库里面的选择项，实际上我们的芯片只能从GPIOA~GPIOE，因为我们只有5组IO口。
形参2是GPIO_InitTypeDef类型的结构体指针变量，其定义如下：
" K# z2 r1 Q. Y) V% ^5 F+ w1 D

1. typedef struct
   7 L4 G- q' x! ]6 f3 D$ }* U3 D
2. {
   2 p. g# U2 T# w: E3 Z' }
3.   uint32_t Pin;               /* 引脚号 */
   ) d! x0 g% Q% ]
4.   uint32_t Mode;              /* 模式设置 */
   ; ^1 x% T+ z6 F' i3 x8 e- P( P
5.   uint32_t Pull;              /* 上拉下拉设置 */
   
6.   uint32_t Speed;             /* 速度设置 */
   
7.   uint32_t Alternate;        /* 复用功能 */
   
8. } GPIO_InitTypeDef;

复制代码

该结构体很重要，下面对每个成员介绍一下。
. [9 V# l( s) i$ e: A( w成员Pin表示引脚号，范围：GPIO_PIN_0到 GPIO_PIN_15，另外还有GPIO_PIN_All和GPIO_PIN_MASK可选。
( O0 I$ Q/ p# e& t/ t& }! h成员Mode是GPIO的模式选择，有以下选择项：

1. #define  GPIO_MODE_INPUT                  (0x00000000U)          /* 输入模式 */
   9 |+ S- `; R; O$ H7 N6 Q
2. #define  GPIO_MODE_OUTPUT_PP             (0x00000001U)          /* 推挽输出 */
   
3. #define  GPIO_MODE_OUTPUT_OD             (0x00000011U)          /* 开漏输出 */
   2 d" m" }8 U- F
4. #define  GPIO_MODE_AF_PP                  (0x00000002U)          /* 推挽式复用 */
   
5. #define  GPIO_MODE_AF_OD                  (0x00000012U)          /* 开漏式复用 */
   
6. 
   ; M' a1 O3 m$ v( z" f& B; P5 d9 j
7. #define  GPIO_MODE_ANALOG                 (0x00000003U)         /* 模拟模式 */
   
8. 
   
9. #define  GPIO_MODE_IT_RISING             (0x11110000U)  /* 外部中断，上升沿触发检测 */
   
10. #define  GPIO_MODE_IT_FALLING            (0x11210000U)  /* 外部中断，下降沿触发检测 */
    
11. /* 外部中断，上升和下降双沿触发检测 */
    
12. #define  GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING    (0x11310000U)  
    
13. 
    
14. #define  GPIO_MODE_EVT_RISING            (0x11120000U) /* 外部事件，上升沿触发检测 */
    
15. #define  GPIO_MODE_EVT_FALLING           (0x11220000U) /* 外部事件，下降沿触发检测 */
    
16. /* 外部事件，上升和下降双沿触发检测 */
    & u: m* J1 E" r9 a* T8 T
17. #define  GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING   (0x11320000U)
    4 Y( G' w$ y! t
18. 成员Pull用于配置上下拉电阻，有以下选择项：
    
19. #define  GPIO_NOPULL        (0x00000000U)           /* 无上下拉 */
    
20. #define  GPIO_PULLUP        (0x00000001U)           /* 上拉 */
    
21. #define  GPIO_PULLDOWN      (0x00000002U)          /* 下拉 */
    
22. 成员Speed用于配置GPIO的速度，有以下选择项：
    - C) G/ h; \% w1 q
23. #define  GPIO_SPEED_FREQ_LOW         (0x00000000U)          /* 低速 */
    # o0 U5 `; [* W% m5 L- }5 \
24. #define  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM      (0x00000001U)          /* 中速 */
    
25. #define  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH        (0x00000002U)          /* 快速 */
      ^. T. c) l, g4 D
26. #define  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH  (0x00000003U)          /* 高速 */

复制代码

% B7 u! O- k0 h6 m2 z成员Alternate用于配置具体的复用功能，不同的GPIO口可以复用的功能不同，具体可参考数据手册《STM32H750VBT6.pdf》。复用功能的选择在stm32h7xx_hal_gpio_ex.h文件里进行了定义，后面具体用到了，我们在进行讲解。
函数返回值：
无
* `8 W$ p7 \8 z0 T8 A: L* h注意事项：
HAL库的EXTI外部中断的设置功能整合到此函数里面，而不是单独独立一个文件。这个我们到外部中断实验再细讲。
2. HAL_GPIO_WritePin函数
* [/ i% T8 H8 F. f& M2 t7 @HAL_GPIO_WritePin函数是GPIO口的写引脚函数。其声明如下：
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx,
uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);
7 q& @& {" ^+ z' z, p5 g函数描述：
用于设置引脚输出高电平或者低电平，通过BSRR寄存器复位或者置位操作。
( J$ S* d4 r+ B函数形参：
; w% E/ v5 U9 R0 `' {形参1是端口号，可以选择范围：GPIOA~GPIOK。
形参2是引脚号，可以选择范围：GPIO_PIN_0到 GPIO_PIN_15。
' g7 W# _1 g0 C6 t1 o% i形参3是要设置输出的状态，是枚举型有两个选择：GPIO_PIN_SET 表示高电平，GPIO_PIN_RESET表示低电平。
- |) h" D3 z, i" ]: d5 y7 T函数返回值：
无
3. HAL_GPIO_TogglePin函数
5 V( b9 C+ b' I- K9 @$ [) VHAL_GPIO_TogglePin函数是GPIO口的电平翻转函数。其声明如下：
void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
  P  t0 p1 r4 j: t) o9 M函数描述：
& j6 z5 E0 u# s4 u用于设置引脚的电平翻转，也是通过BSRR寄存器复位或者置位操作。
2 V" |- n5 n9 L函数形参：
" y. N( p9 d) @! W, v形参1是端口号，可以选择范围：GPIOA~GPIOK。
形参2是引脚号，可以选择范围：GPIO_PIN_0到 GPIO_PIN_15。
  h; F7 X! R( v+ h( U函数返回值：
无
0 O% G) i$ j- ~5 n本实验我们用到上面三个函数，其他的API函数后面用到再进行讲解。
. G2 |. W- N3 L& ]. {GPIO输出配置步骤
1）使能对应GPIO时钟
STM32在使用任何外设之前，我们都要先使能其时钟（下同）。本实验用到PB5和PE5两个IO口，因此需要先使能GPIOB和GPIOE的时钟，代码如下:
2 d$ Q+ d- r  ?( L! e% Y__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
2 Q$ }% Y, U4 A. ^( ?__HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
7 F( n7 }, z) u7 L* e! j: ?: j2）设置对应GPIO工作模式（推挽输出）
本实验GPIO使用推挽输出模式，控制LED亮灭，通过函数HAL_GPIO_Init设置实现。
; ?% q* R$ V! \0 R3）控制GPIO引脚输出高低电平
在配置好GPIO工作模式后，我们就可以通过HAL_GPIO_WritePin函数控制GPIO引脚输出高低电平，从而控制LED的亮灭了。
13.3.2 程序流程图
* y. D4 j1 C! y1 l2 @程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。
; t* W. N% _; q: ]# f. X* j7 R下面看看本实验的程序流程图：

% X' X+ \6 {# B& E( l
2 H% ~7 z. L" g# b
图13.3.2.1 跑马灯实验程序流程图
0 v" W1 ^6 t/ J9 W13.3.3 程序解析
1.led驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。LED驱动源码包括两个文件：led.c和led.h。
6 D3 t" p7 i$ d3 X: r下面我们先解析led.h的程序，我们把它分两部分功能进行讲解。
" `" j( B- o6 p, Y' p由硬件设计小节，我们知道RGB灯在硬件上分别连接到PB4、PE5、PE6，再结合HAL库，我们做了下面的引脚定义。

1. /*****************************************************************************/
   
2. /* 引脚 定义 */
   
3. 
   
4. #define LED0_GPIO_PORT                GPIOB
   
5. #define LED0_GPIO_PIN                 GPIO_PIN_4
   6 N6 ~  X5 k7 Q, g" R
6. /* PB口时钟使能 */
   
7. #define LED0_GPIO_CLK_ENABLE()      do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0)
   - z  k, o- o, @$ ~; O' ?
8. 
   
9. #define LED1_GPIO_PORT                GPIOE
   
10. #define LED1_GPIO_PIN                 GPIO_PIN_6
    # P, J# Q) [+ r$ h# J" G
11. /* PE口时钟使能 */
    ' v# n" U# Z, r  R6 b. F) o" j" J) C
12. #define LED1_GPIO_CLK_ENABLE()      do{ __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE(); }while(0)
    ) m0 T* l5 e+ @9 a
13. 
    
14. #define LED2_GPIO_PORT                GPIOE
    , t8 d0 T3 Q$ W6 ]; _, z( L1 N
15. #define LED2_GPIO_PIN                 GPIO_PIN_5
    
16. /* PE口时钟使能 */
    # Q/ u: J' [7 D4 Q; \
17. #define LED2_GPIO_CLK_ENABLE()      do{ __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE(); }while(0)
    
18. /*****************************************************************************/
    ( x) |7 L! b6 ], X6 z4 C

复制代码

. V2 r% g1 ^1 C, Q; f, h这样的好处是进一步隔离底层函数操作，移植更加方便，函数命名更亲近实际的开发板。比如：当我们看到LED0_GPIO_PORT这个宏定义，我们就知道这是灯LED0的端口号；看到LED0_GPIO_PIN这个宏定义，就知道这是灯LED0的引脚号；看到LED0_GPIO_CLK_ENABLE这个宏定义，就知道这是灯LED0的时钟使能函数。大家后面学习时间长了就会慢慢熟悉这样的命名方式。
  B. @5 S* R. x$ [( v特别注意：这里的时钟使能函数宏定义，使用了do{ }while(0)结构，是为了避免在某些使用场景出错的问题（下同），详见《嵌入式单片机 C代码规范与风格》第六章第2点。
__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE函数是HAL库的IO口时钟使能函数，x=A到K。
# c9 o6 X6 }% c为了后续对RGB灯进行便捷的操作，我们为RGB灯操作函数做了下面的定义。
: Q" K! m; o8 [
& X* i  u  v# D' O  q+ R& d6 _6 s8 M

1. /* LED端口定义 */
   . F+ @% {8 |5 H2 f
2. #define LED0(x)   do{ x ? \
   : p  q/ v# o) d. x1 `3 H
3.                           HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_PORT,
   ' y3 r* g3 p- `' p! K' [" e
4. LED0_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
   
5.                           HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_PORT,
   . ?1 A) v3 C4 s0 B
6.                                           LED0_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
     u9 Z8 K& [: \, ?1 n8 w& `/ L9 ^
7.                      }while(0)       /* LED0 = RED */
   1 u+ g: Q. D2 y, o4 y" t' j! L
8. 
   3 o6 J% R- C: i+ J' A# l3 d  }5 o
9. #define LED1(x)   do{ x ? \
   6 J1 {1 [0 ]5 p% e  Z- q
10.                           HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_PORT,
    
11. LED1_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
    . v3 `2 R; u; O7 n) W+ N1 q8 d' m
12.                           HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_PORT,
    
13. LED1_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
    4 L, d; t* b! _0 J
14.                      }while(0)       /* LED1 = GREEN */
    1 t7 h3 {: b3 r, V) l4 f" ?2 s  ^
15. 
    : Q( R+ E0 p& I
16. #define LED2(x)   do{ x ? \
    
17.                           HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_PORT,
    ( b+ w) U. j+ U# n
18. LED2_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET) : \
    / o" T% l3 A5 [  I- G
19.                           HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_PORT,
    
20. LED2_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET); \
    
21.                      }while(0)       /* LED2 = BLUE */
    
22. 
    
23. /* LED取反定义 */
    8 o# l1 B: t5 {6 R
24. #define LED0_TOGGLE()    do{ HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_PORT,
    7 }( K  s7 h( e/ {1 H1 s
25. LED0_GPIO_PIN); }while(0)   /* LED0 = !LED0 */
    - s. q4 S/ ^, E- `/ L1 w4 ~, Y
26. #define LED1_TOGGLE()    do{ HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_PORT,
    
27. LED1_GPIO_PIN); }while(0)   /* LED1 = !LED1 */
    2 g% _& ]$ W" O- X9 W+ l
28. #define LED2_TOGGLE()    do{ HAL_GPIO_TogglePin(LED2_GPIO_PORT,
    & ~6 U5 g% \+ j2 t+ ?  g! b
29. LED2_GPIO_PIN); }while(0)   /* LED2 = !LED2 */

复制代码

0 K" @3 G( R, |8 J$ y& ELED0、LED1和LED2这三个宏定义，分别是控制LED0、LED1和LED2的亮灭。例如：对于宏定义标识符LED0(x)，它的值是通过条件运算符来确定：当x=0时，宏定义的值为HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_PORT, LED0_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET)，也就是设置PB4输出低电平，当n!=0时，宏定义的值为HAL_GPIO_WritePin (LED0_GPIO_PORT, LED0_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET)，也就是设置PB4输出高电平。所以如果要设置LED0输出低电平，那么调用宏定义LED0(0)即可，如果要设置LED0输出高电平，调用宏定义LED0(1)即可。宏定义LED1(x)和LED0(x)同理。
, d6 L* W+ }, f2 D8 s因为STM32H7不支持位带操作，所以这里我们并没有像F1/F4一样通过位带操作来实现IO口输出输入电平控制。
LED0_TOGGLE、LED1_TOGGLE和LED2_TOGGLE这三个宏定义，分别是控制LED0、LED1和LED2的翻转。这里利用HAL_GPIO_TogglePin函数实现IO口输出电平取反操作。
下面我们再解析led.c的程序，这里只有一个函数led_init，这是RGB灯的初始化函数，其定义如下：

1. /**
   
2. * @brief       初始化LED相关IO口, 并使能时钟
   2 X7 H* [7 b/ x1 X  }
3. * @param       无
   
4. * @retval      无
   : k! M0 c5 P* ]& B* q6 [% ~
5. */
   9 a2 k) D& }% H" H: Z! f
6. void led_init(void)
   - s' O$ H% T* _7 [# j
7. {
   
8.     GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
   ; g8 f- V) u4 h% L5 S
9.     LED0_GPIO_CLK_ENABLE(); /* LED0时钟使能 */
   
10.     LED1_GPIO_CLK_ENABLE(); /* LED1时钟使能 */
    
11.     LED2_GPIO_CLK_ENABLE(); /* LED2时钟使能 */
    5 v+ e8 ]+ H. t7 g- B
12. 
    / u6 j* U7 Y* C. p, p
13.     gpio_init_struct.Pin = LED0_GPIO_PIN;                 /* LED0引脚 */
    
14.     gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;                /* 推挽输出 */
    
15.     gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                          /* 上拉 */
    " U( D" V8 U0 F( ?8 Q' |8 J3 j
16.     gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;           /* 中速 */
    # i% g. b! y3 f2 [5 C' g* N
17.     HAL_GPIO_Init(LED0_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);         /* 初始化LED0引脚 */
    " H# \5 t) @8 M1 l8 {# P, _
18. 
    
19.     gpio_init_struct.Pin = LED1_GPIO_PIN;                 /* LED1引脚 */
    
20.     HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);          /* 初始化LED1引脚 */
    
21. 
    ! \* a2 h' D! p/ _# @
22.     gpio_init_struct.Pin = LED2_GPIO_PIN;                 /* LED2引脚 */
    ( u( ^, Q0 Z& d  R5 e, o, Y
23.     HAL_GPIO_Init(LED2_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);          /* 初始化LED2引脚 */
    * Y( L5 D" u+ M' \
24. 
    - N9 n" q/ f; L" T
25.     LED0(1);    /* 关闭 LED0 */
    
26.     LED1(1);    /* 关闭 LED1 */
    . P; D/ A% O: {; g
27.     LED2(1);    /* 关闭 LED2 */
    
28. }

复制代码

对RGB灯的三个引脚都设置为中速上拉的推挽输出。最后关闭RGB的三个LED灯，防止没有操作就亮了。
2. main.c代码
在main.c里面编写如下代码：

# e. F/ K2 M  ]1 S

1. #include "./SYSTEM/sys/sys.h"
   , C, s. h7 R3 {" b- G6 v4 i
2. #include "./SYSTEM/usart/usart.h"
   
3. #include "./SYSTEM/delay/delay.h"
   / p4 j  J& q& E/ F2 S! B
4. #include "./BSP/LED/led.h"
   
5. int main(void)
   
6. {
   
7.     sys_cache_enable();                             /* 打开L1-Cache */
   
8.     HAL_Init();                                       /* 初始化HAL库 */
   
9.     sys_stm32_clock_init(240, 2, 2, 4);          /* 设置时钟, 480Mhz */
   
10.     delay_init(480);                                 /* 延时初始化 */
    ( v5 d8 a6 `; @: i1 s  {
11.     led_init();                                       /* 初始化LED */
    3 X4 k& _0 Q4 S: v
12. 
    
13.     while (1)
    
14.     {
    
15.         LED2(1);                         /* LED2(BLUE)  灭 */
    4 i$ \+ x- P3 B# ?  X5 c
16.         LED0(0);                         /* LED0(RED)   亮 */
    % E+ x3 z& Z9 n, T& Q
17.         delay_ms(500);
    
18.         LED0(1);                         /* LED0(RED)   灭 */
    6 }$ K& ?" ^. `& v; Q
19.         LED1(0);                         /* LED1(GREEN) 亮 */
    
20.         delay_ms(500);
    
21.         LED1(1);                         /* LED1(GREEN) 灭 */
    ( n  z' S9 F; q, p& \& o' z3 i
22.         LED2(0);                         /* LED2(BLUE)  亮 */
    
23.         delay_ms(500);
    1 q) \' {) x( }, l/ e! H
24.     }
    . z1 n5 {: c3 N& A9 W% V
25. }

复制代码

首先是调用系统级别的初始化：sys_cache_enable函数使能I-Cache和D-Cache，然后初始化 HAL库、系统时钟和延时函数。接下来，调用led_init来初始化RGB灯。最后在无限循环里面实现LED0、LED1和LED2间隔500ms交替闪烁一次。
13.4 下载验证
8 a; T5 c3 \7 j+ v我们先来看看编译结果，如图13.4.1所示。
  U$ x4 E4 _  ~4 E* B, M


( J9 z4 L* G/ U1 g图13.4.1 编译结果
" b. v9 Q# x$ o) ]: N- G可以看到没有0错误，0警告。从编译信息可以看出，我们的代码占用FLASH大小为：13364字节（12874+714），所用的SRAM大小为：2424个字节（32+2392）。这里我们解释一下，编译结果里面的几个数据的意义：
: H' Y+ R( @0 y% q+ JCode：表示程序所占用FLASH的大小（FLASH）。
  s3 Z8 D0 L8 \4 J, xRO-data：即Read Only-data，表示程序定义的常量（FLASH）。
RW-data：即Read Write-data，表示已被初始化的变量（SRAM）
# Q- t) ^/ d$ |! k! Z9 QZI-data：即Zero Init-data，表示未被初始化的变量(SRAM)
" p+ N9 _) r* g* X- @+ H有了这个就可以知道你当前使用的flash和sram大小了，所以，一定要注意的是程序的大小不是.hex文件的大小，而是编译后的Code和RO-data之和。
接下来，大家就可以下载验证了。这里我们使用DAP仿真器下载（也可以通过其他仿真器下载，如果是JLINK，必须是V9或者以上版本，才可以支持STM32H750!! 下同）。
下载完之后，可以看到RGB灯的LED0（红）、LED1（绿）和LED2（蓝）轮流亮。
% E( ^, i1 P9 o& Q+ ~至此，我们的跑马灯实验的学习就结束了，本章介绍了STM32H750的IO口的使用及注意事项，是后面学习的基础，希望大家好好理解。
————————————————
1 N( L: ?; Z% a! i* s# I( b版权声明：正点原子

2 g1 y( w& @, k- }  C7 r8 g4 Q
% }, |; j' O8 Q8 l: i& K" j