STM32从原理图PCB到移植RTOS GPIO

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STMCU小助手发布时间：2023-2-23 22:10

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文章简介:	STM32从原理图PCB到移植RTOS GPIO

我当时不理解，觉得领导挑人随心情，不体恤我们这些招聘的锻炼干部的辛苦。过第二天到了济南，老大跟我说：“这些人招聘进来，都是要给你做下属的，如果很难带出来，也是给你自己找麻烦。”

不过现在想来，觉得不无道理。

前期经典文章软硬兼修

我们通过这篇文章，从芯片内部原理、电路设计、软件开发、软件运行，全流程看一下GPIO初始化、工作的全过程。帮助很多朋友只做MCU硬件的，又很想提升的朋友，进行学习和理解。

【1、熟悉芯片的内部结构和工作原理】

任何开发，我们都应该去看厂家的Datasheet和设计参考先，其他的教材、文档、书籍、网站、博客，都是基于原厂的资料进行编辑的。

所以我们应该下载并仔细阅读下面两个文档：

STM32实物图:

STM32的144个管脚，除了为芯片供电的电源、GND、时钟、复位管脚之外，几乎所有管脚都可以用作GPIO

　2. STM32，LQFP144PIN的引脚分布图:

STM32F103ZET6:共144个引脚,7组IO口,每组16个IO口

7*16=112个IO口(这7组IO口分别为GPIOA,GPIOB…GPIOG)
例如

GIOA包含PA0,PA1,PA2…PA15,每组16个IO口。

从硬件上面，按照：A、B、C、D、E、F、G分为7组。

每组有16个管脚。

IO口的基本结构和工作方式

stm32的GPIO的配置模式有好几种，包括：

4种输入模式
　　　输入浮空
　　　输入上拉
　　　输入下拉
　　　模拟输入　
4种输出模式
　　　开漏输出
　　　开漏复用功能
　　　推挽输出
　　　推挽复用功能
可配置3种最大翻转速度
　　　2MHz
　　　10MHz
　　　50MHz

1、模拟输入；

部分管脚可以用作ADC的输入管脚，需要通过软件进行配置。

当我们把对应的GPIO配置成ADC的功能。

则信号接到GPIO的管脚，会被MCU内部集成的ADC进行检测。

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从上图我们可以看到，我觉得模拟输入最重要的一点就是，他不经过输入数据寄存器，所以我们无法通过读取输入数据寄存器来获取模拟输入的值，我觉得这一点也是很好理解的，因为输入数据寄存器中存放的不是0就是1，而模拟输入信号不符合这一要求，所以自然不能放进输入数据寄存器。该输入模式，使我们可以获得外部的模拟信号。

如果信号不作为模拟信号输入，可以作为数字信号输入。

数字信号输入时，可以配置上下拉电阻：高阻状态、无上下拉，为浮空输入。

上拉电阻打开，则为上拉输入、如果下拉电阻打开，则为下拉输入。

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上拉和下拉部分均为关闭状态(AD转换-模拟量转换为数字量)
施密特触发器为截止状态
通过模拟输入通道输入到CPU
IO口外部电压为模拟量(电压形式非电平形式),作为模拟输入范围一般为0~3.3V

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2、浮空输入；

该输入状态，我的理解是，它的输入完全由外部决定，我觉得在数据通信中应该可以使用该模式。应为在数据通信中，我们直观的理解就是线路两端连接着发送端和接收断，他们都需要准确获取对方的信号电平，不需要外界的干预。所以我觉得这种情况适合浮空输入。比如我们熟悉的I2C通信的输入状态。

1)外部通过IO口输入电平,外部电平通过上下拉部分(浮空模式下都关闭,既无上拉也无下拉电阻)
2)传输到施密特触发器(此时施密特触发器为打开状态)
3)继续传输到输入数据寄存器IDR
4)CPU通过读输入数据寄存器IDR实现读取外部输入电平值。在输入浮空模式下可以读取外部输入电平

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3、上拉输入；

上拉输入就是在输入电路上使用了上拉电阻。这种模式的好处在于我们什么都不输入时，由于内部上拉电阻的原因，我们的处理器会觉得我们输入了高电平，这就避免了不确定的输入。这在要求输入电平只要高低两种电平的情况下是很有用的。

和输入浮空模式相比较,不同之处在于内部有一个上拉电阻连接到VDD(输入上拉模式下,上拉电阻开关接通,阻值约30-50K)
外部输入通过上拉电阻,施密特触发器存入输入数据寄存器IDR,被CPU读取。

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4、下拉输入；

和上拉输入类似，不过下拉输入时，在外部没有输入时，我们的处理器会觉得我们输入了低电平。

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和输入浮空模式相比较,不同之处在于内部有一个下拉电阻连接到VSS(输入下拉模式下,下拉电阻开关接通,阻值约30-50K)
外部输入通过下拉电阻,施密特触发器存入输入数据寄存器IDR,被CPU读取

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5、开漏输出；

开漏输出，输出端相当于三极管的集电极，所以适合与做电流驱动的应用。要得到高电平，需要上拉电阻才可以。（例如模拟软件实现I2C的输出）

1,CPU写入位设置/清楚寄存器BSRR,映射到输出数据寄存器ODR
2,联通到输出控制电路(也就是ODR的电平)
3,ODR电平通过输出控制电路进入N-MOS管
－ODR输出1:
N-MOS截止,IO端口电平不会由ODR输出决定,而由外部上拉/下拉决定。
　在输出状态下,输出的电平可以被读取,数据存入输入数据寄存器,由CPU读取,实现CPU读取输出电平。
　所以,当N-MOS截止时,如果读取到输出电平为1,不一定是我们输出的1,有可能是外部上拉产生的1。

　－ODR输出0:
　 N-MOS开启,IO端口电平被N-MOS管拉倒VSS,使IO输出低电平。
　此时输出的低电平同样可以被CPU读取到。

6、推挽输出；

推挽输出使用了推挽电路，结合推挽电路的特性，它是由两个MOSFET组成，一个导通的同时，另外一个截至，两个MOSFET分别连接高低电平，所以哪一个导通就会输出相应的电平。推挽电路速度快，输出能力强，直接输出高电平或者低电平。

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　　　与开漏输出模式唯一的区别在于输出控制电路之前电平的来源
　　　　开漏输出模式的输出电平是由CPU写入输出数据寄存器控制的
　　　　开漏推挽输出模式的输出电平是由复用功能外设输出决定的
　　　其他与开漏输出模式相似:
　　　　控制电路输出为1:N-MOS截止,IO口电平由外部上拉/下拉决定
　　　　控制电路输出为0:N-MOS开启,IO口输出低电平

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7、复用功能的开漏输出；

我们使用了某个硬件接口，但是这个接口需要开漏输出，则GPIO处于这个状态。例如我们使用片内外设功能（I2C的SCL,SDA），即我们口头说的硬件I2C，需要输出是个开漏，且使用了MCU的GPIO复用功能。

　　　与开漏输出相比较:
　　　　输出控制寄存器部分相同
　　　　输出驱动器部分加入了P-MOS管部分
　　　当输出控制电路输出1时:
　　　　P-MOS管导通N-MOS管截止,被上拉到高电平,IO口输出为高电平1
　　　当输出控制电路输出0时:
　　　　P-MOS管截止N-MOS管导通,被下拉到低电平,IO口输出为低电平0
　　　同时IO口输出的电平可以通过输入电路读取

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8、复用推挽输出；

我们使用了某个硬件接口，但是这个接口需要推挽输出，则GPIO处于这个状态。例如我们使用片内外设功能（SPI接口的管脚）。

　　与推挽输出模式唯一的区别在于输出控制电路之前电平的来源
　　　开漏输出模式的输出电平是由CPU写入输出数据寄存器控制的
　　　开漏推挽输出模式的输出电平是由复用功能外设输出决定的

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注：推挽输出和开漏输出的区别
　　　推挽输出:
　　　　可以输出强高/强低电平,可以连接数字器件
　　　开漏输出:
　　　　只能输出强低电平(高电平需要依靠外部上拉电子拉高),适合做电流型驱动,吸收电流能力较强(20ma之内)

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总结一下，在STM32中选用IO模式：

（1）模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入

（2）浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别，RX1
（3）带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
（4）带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
（5）开漏输出_OUT_OD ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化，实现C51的IO双向功能
（6）推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的
（7）复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
（8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

【2、STM32-IO口相关寄存器】
　每组GPIO包含系列7个寄存器(7组GPIO共包含7*7=49个寄存器)
　两个32位配置寄存器
　　GPIOx_CRL 低16位
　　GPIOx_CRH 高16位
　两个32位数据寄存器
　　GPIOx_IDR 输入数据寄存器
　　GPIOx_ODR 输出数据寄存器
　一个32位置位/复位寄存器
　　GPIOx_BSRR
　一个16位复位寄存器
　　GPIOx_BRR
　一个32位锁定寄存器
　　GPIOx_LCKR

六,STM32-IO口相关寄存器讲解
　1,端口配置寄存器:
　　STM32每组GPIO位16个IO口,每4位控制一个IO口,所以32位控制8个IO口
　　分为低16位:GPIOx_CRL和高16位:GPIOx_CRH共32位控制一组GPIO的16个IO口

　　如图:以端口配置寄存器低16位为例,每四位控制一个IO口(高16位同理)
　　MODEx的2位 : 配置IO口输出/输出模式(1种输出+3种不同速度的输出模式)
　　CNFx的2位 : 配置IO口输入/输出状态下(由MODEx控制)的输入/输出模式　

以GPIOA_CRL为例,配置IO口PA0 -> MODE0=00(输入模式) CNF0=10(上拉/下拉输入模式)
; S0 U5 g/ f* ?9 o h, h' J# u+ s- Z此种配置下到底是上拉还是下拉输入模式还需由ODR寄存器决定

　　关于上拉/下拉的控制我们将在下面－数据寄存器－中介绍ODR输出寄存器时详细说明

2,数据寄存器(以输入数据寄存器GPIOx_IDR为例)
　　每一组IO口都具有一个GPIOx_IDR的32位寄存器(实际只使用低16位,高16位保留),即16位控制16个IO口,每一位控制一个

　　如图：IDR寄存器共32位,0~15位代表一组IO口16个IO当前值
　　　　这里我们已经了解了输入/输出数据寄存器,现在说下上面提到的问题:
　　当IO口配置为输入模式且配置为上拉/下拉输入模式(即MODEx=00 CNFx=10时),ODR决定到底是上拉还是下拉
　　　1)当输出模式时,ODR为输出数据寄存器
　　　2)当输入模式时,ODR用作区分当前位输入模式到底是上拉输入(ODRx=0)还是下拉输入(ODRx=1)

3,端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)

　　BSRR寄存器作用:
　　　BSRR寄存器为32位寄存器,低16位BSx为设置为(1设置0不变),高16位BRx为重置位(1:清除0:不变)　　　

当然,最终的目的还是通过BSRR间接设置ODR寄存器,改变IO口电平　　
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4,端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)

　　GPIOx_BRR寄存器作用同GPIOx_BSRR寄存器高16位
　　一般我们使用BSRR低16位和BRR的低16位(STM32F4系列取消了BSRR的高16位)

5,锁存寄存器:使用较少暂不分析

七,端口的复用和重映射　
１,端口的复用：
　　大部分IO口可复用为外部功能引脚,参考芯片数据手册(IO口复用和重映射)

　　例如:STM32F103ZET6的PA9和PA10引脚可复用为串口发送和接收功能引脚,也可复用为定时器1的通道2和通道3　　端口复用的作用：最大限度的利用端口资源　　

2,端口的重映射：

　　串口1默认引脚是PA9,PA10可以通过配置重映射映射到PB6,PB7
　　端口重映射的作用：方便布线　　

3,STM32所有的IO口都可作为中断输入(51单片机只有2个端口可以作为外部中断输入)

【3、GPIO软件运行的过程】

首先，我们打开iBox开发板的例程LED_DEMO，点击软件上方的“Start/stop Debug Session”按钮，如下图：

程序首先从主函数开始。我们点击左上角的step或快捷键F11，

就会发现左边黄色的箭头移动到主函数位置：

继续F11，我们发现黄色箭头移至下图所示位置：

上面的函数是使能GPIOE端口的时钟的。GPIOE是属于APB2这条高速总线上的，所以用函数RCC_APB2PeriphClockCmd(xxx, xxx) 来启动对应的I/O端口。GPIO只有在时钟上得以启动，我们才能使用它们。

我们再次点击，发现进入了RCC_APB2PeriphClockCmd ( xxx , xxx)函数里面。

assert_param(IS_RCC_APB2_PERIPH(RCC_APB2Periph));

assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));这两行是用来检测形参是否是指定范围内的值。继续F11会发现黄色光标跳到了"RCC->APB2ENR |= RCC_APB2Periph;"。这里就是把RCC_APB2Periph_GPIOE的值赋给RCC_APB2ENR。在此暂时不对此函数做详细介绍。

接下来的四次单步运行，我们会发现程序跳回了主函数。黄色箭头会依次在下图中四行代码中移动。

我们逐行分析：

第一行的作用是选择IO端口的工作方式。由于驱动LED需要较大电流，所以此处采用推挽输出的方式。如果想更改为其他方式，只需将上图等号后面的” GPIO_Mode_Out_PP”改为其他工作方式即可。

GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

GPIO_Mode_AIN 模拟输入

GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

GPIO_Mode_IPD 下拉输入

GPIO_Mode_IPU 上拉输入

第二行的作用是选择IO端口号。此处我们选择了GPIOE的9、10、12口。GPIO_Pin_x其x的值可以是0~15，如果我们同时选择多个IO口，可以用上图方式用“|”隔开，也可以用GPIO_Pin_All来选择GPIOE组下的所有端口。

第三行的作用是设置IO端口的速度。端口的速度只有在IO端口被设置为输出的时候才需要设置。如果为输入模式则不需要设置。端口速度可以2/10/50MHz。上面我们设置IO端口工作方式为推挽输出，所以此处需要设置IO端口的速度。

第四行的作用是运行GPIO的初始化库函数。把上面三条的设置内容写入到IO端口对应的寄存器当中。其中第一个参数是我们要写入的哪一组端口。第二个参数就是对这一组端口的设置内容，也就是我们刚才设置的结构体内容。最终完成三个端口的初始化。

再次单步执行，我们发现此程序跳到了GPIO_Init()函数。

此函数后续我们会详细介绍，此处暂不做介绍。

直接step out(Ctrl+F11)跳到下一步。我们发现程序回到了主函数如下图所示位置。

此处用到了函数GPIO_SetBits。此函数中只有两个参数：第一个参数是选择GPIO的组（此处我们选择了GPIOE）；第二个参数是选择GPIO的Pin（此处我们选择了9、10、12）。此函数是专门用来将IO口置位（输出高电平）。下图代码将GPIOE组下的9、10、12号端口设为高电平。函数执行至此，我们可以观察到iBox上的三个指示灯全部亮了起来。

与GPIO_SetBits对应的函数为GPIO_ResetBits。此函数的功能为清楚指定数据端口位，也就是用来将IO口清零的函数。使用方法与GPIO_SetBits相同。操作IO口的方法还有很多种，后面我们会逐步介绍。

继续单步运行程序，发现黄色箭头跳转到下图所示位置：

GPIOx->BSRR是端口位设置/清除寄存器。其作用为将端口位设置或清除。

继续单步运行，程序再次跳回主函数如下图所示的位置：

其中“for(; ;)”可以理解为“while(1)”。相比之下for式死循环更加高效一些。

即不设初值，不判断条件，循环变量不增值，无终止的循环，程序会一直执行大括号里面的内容。

上图大括号里面的第一行用到了GPIO_SetBits，后面的两个参数分别为GPIO_LED_PORT和GPIO_LED_ALL我们右键选择“Go To Definition Of 'GPIO_LED_PORT',就会跳转到下图所示的位置：

不难看出，这里定义了GPIOE为GPIO_LED_PORT；定义了GPIO_Pin_9、GPIO_Pin_10、GPIO_Pin_11、GPIO_Pin_12为GPIO_LED_ALL。

这样一来，我们就很容易理解这四条语句的含义了：首先用GPIO_SetBits将GPIOE组下的9、10、11、12号端口置高，延时一段时间后，用GPIO_ResetBits将GPIOE组下的9、10、11、12号端口清零，再延时一段时间，由于是在for(;;)中执行，程序会一直在这里循环，这样就实现了LED闪灯的效果。

转载自：硬十