一、GPIO介绍
        1.1 GPIO 简述
, m0 u( R7 s, d4 B0 L8 y/ x        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。

        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。


3 \- v% O4 m; i2 j$ H9 Y* t

4 c7 W" ?) l) {, x       1.2 STM32 GPIO寄存器
         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。
/ `! Z2 m4 K+ s3 z8 t, v

9 r' i- }5 `! S4 u+ t
2 x0 P% K1 Q! \: n- f
+ L4 B9 l! S0 O/ _" J        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）。
# N  G$ V+ {' Y7 h


        1.3 GPIO引脚与标记
4 A, G2 @2 m# k$ g         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 O) f0 k" X: T8 D        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：

        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；

. F, u/ Z; c! s2 d+ D3 p- R3 T) G7 E        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。
9 Z5 z0 S) L6 ^
        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。
+ ?/ l2 ?  P  J. T- O$ @

# b1 [, U  b/ m" H: b
         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。
0 E' \4 [( J2 g/ W
2 G9 |' R7 c' p0 D2 L

         GPIO分组引脚地址在HLA宏定义数值如下。
& ~$ `1 L' H; {" i1 s& C: u/ |

1. #define GPIO_PIN_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected    */
   - F6 a6 X/ n3 g+ d4 z' ]  N
2. #define GPIO_PIN_1                 ((uint16_t)0x0002)  /* Pin 1 selected    */
   
3. #define GPIO_PIN_2                 ((uint16_t)0x0004)  /* Pin 2 selected    */
   - B- [( Z9 ?& R4 ~6 M: F
4. #define GPIO_PIN_3                 ((uint16_t)0x0008)  /* Pin 3 selected    */
   
5. #define GPIO_PIN_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected    */
   
6. #define GPIO_PIN_5                 ((uint16_t)0x0020)  /* Pin 5 selected    */
   
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    */
   ) n" o6 J6 t' s" a+ D0 {- a
10. #define GPIO_PIN_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected    */
    
11. #define GPIO_PIN_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected   */
    + \, U# [- s5 G. g- X3 e
12. #define GPIO_PIN_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected   */
    
13. #define GPIO_PIN_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected   */
    ! j7 z. R2 P! P* o" e- i8 s6 V; _# V
14. #define GPIO_PIN_13                ((uint16_t)0x2000)  /* Pin 13 selected   */
    ' }8 `1 O, E  J' q: ?
15. #define GPIO_PIN_14                ((uint16_t)0x4000)  /* Pin 14 selected   */
    
16. #define GPIO_PIN_15                ((uint16_t)0x8000)  /* Pin 15 selected   */
    " f" ?& t9 y2 S# J# U4 L" J
17. #define GPIO_PIN_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /* All pins selected */

复制代码

5 `8 f( j. G+ @9 T        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。

1. typedef struct
   
2. {
   
3.   __IO uint32_t MODER;       /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
   ) p" X# l0 X8 g7 O% _1 @7 `
4.   __IO uint32_t OTYPER;      /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */
   $ U* E- H" Y& `# \, S1 e, x2 t
5.   __IO uint32_t OSPEEDR;     /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */
   7 L+ |- D9 Z! I; e8 u' o& n- l) z" t
6.   __IO uint32_t PUPDR;       /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,  Address offset: 0x0C      */
   9 N* p, @  G2 Z/ d: n
7.   __IO uint32_t IDR;         /*!< GPIO port input data register,         Address offset: 0x10      */
   
8.   __IO uint32_t ODR;         /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
   / k- F) z$ ^0 r/ b# ~) {) A
9.   __IO uint32_t BSRR;        /*!< GPIO port bit set/reset  register,     Address offset: 0x18      */
   
10.   __IO uint32_t LCKR;        /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C      */
    
11.   __IO uint32_t AFR[2];      /*!< GPIO alternate function registers,     Address offset: 0x20-0x24 */
    
12.   __IO uint32_t BRR;         /*!< GPIO Bit Reset register,               Address offset: 0x28      */
    7 V$ M/ I# v3 h9 F2 Q( U2 w
13. 
    
14. } GPIO_TypeDef;

复制代码

        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。

$ Q' X! K$ j/ D
$ A* `- o% W* M  W
+ j+ G, s8 H0 r3 u# j         那么在生成输出代码时，会通过#define实现标识名替换。

. e$ r) C3 ~! _$ J- w5 m8 r
: M  ?+ p9 o- e1 V& }8 a+ U5 }

% ~, R6 E$ ^: 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。
8 [, U- I" Z- W3 M' F0 i


" x9 h: p7 Q' w6 ^5 R5 O* a# _& h         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。
* @6 }  Y- m- z7 p0 q0 H" ?

7 u0 s: |* v+ _+ s' h( \2 e9 o& s
         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。



        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。



, t$ t7 v4 u) w' X, G( p6 K/ W3 j 二、GPIO的HLA源码分析
, a4 A" R/ v& p. h. }' \0 w6 i; M( N        2.1 HLA库GPIO初始化
        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。
0 `) s: |# Y( K9 U9 u
, w8 E& {6 o' T. F; |2 z: z        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。
/ P3 {3 n2 B, O6 w* v* F
$ A) R8 t" O( E' c* Q

1. //main.h
   ! U! O3 u# t3 K7 H% q
2. /* Private defines -----------------------------------------------------------*/
   $ |/ J! p0 Q2 `9 G7 g: T# ?% q
3. #define LED1_Pin GPIO_PIN_3
   ( a. x- e7 F0 x
4. #define LED1_GPIO_Port GPIOE
   8 N' `1 v7 H- f$ U# c5 t) \* M" J
5. #define KEY2_Pin GPIO_PIN_10
   4 Q9 B& D* d& ]6 P: P% q
6. #define KEY2_GPIO_Port GPIOE
   
7. #define KEY0_Pin GPIO_PIN_11
   
8. #define KEY0_GPIO_Port GPIOE
   7 b/ O  O# P; Q( o8 @8 i2 O" l4 F
9. #define KEY1_Pin GPIO_PIN_14
   / d, ]$ n$ w3 ]# |8 q5 B& u
10. #define KEY1_GPIO_Port GPIOE
    
11. #define LED2_Pin GPIO_PIN_15
    9 ^) }4 m4 G* y: t, N: Z, R4 {
12. #define LED2_GPIO_Port GPIOD
    
13. #define LED0_Pin GPIO_PIN_6
    + \+ m& H& r% u
14. #define LED0_GPIO_Port GPIOB
    
15. /* USER CODE BEGIN Private defines */
      ^3 T& F6 [. v7 _) W2 b
16. //gpio.c
    & A* H% ^3 q7 z! R
17. void MX_GPIO_Init(void)
    
18. {
    
19. 
    
20.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    , U' U9 K4 y2 j' _6 e8 `
21. 
    + o9 M0 O" I! Y
22.   /* GPIO Ports Clock Enable */
    9 m8 X# N6 a1 C& s
23.   __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
      E1 V+ B8 N" X. C2 _
24.   __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    
25.   __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
    , \  i! @; c% S4 Q% ^' J
26.   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    
27.   __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
    
28.   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
29. 
    7 v% @+ O$ E' E  p
30.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    7 Z+ l8 @+ k: c- D/ U
31.   HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
32. 
    
33.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    
34.   HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
35. 
    , q8 {- B+ t! a( d5 I
36.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    " v4 T' g7 E: U, R
37.   HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    : i$ Q/ D; J; q- i
38. 
    5 y  S  }9 m7 T' ^6 F4 a: Q
39.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    : b1 X: |  C* P
40.   GPIO_InitStruct.Pin = LED1_Pin;
    4 _; j2 Y9 o& l1 P5 v
41.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    ) e( ]6 `( ]3 z! L. Z3 Z
42.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
43.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
44.   HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
45. 
    ; T5 u; b4 M" P( O$ z/ g
46.   /*Configure GPIO pins : PEPin PEPin PEPin */
    - ?- T2 o: N3 t! x+ }$ y, {' q
47.   GPIO_InitStruct.Pin = KEY2_Pin|KEY0_Pin|KEY1_Pin;
    
48.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    
49.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    9 c/ O: C* B# c" K( A9 p4 P1 ]
50.   HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);
    5 B: L4 p+ k; c  z( R
51. 
    " Y, ^: C+ q. J) Y* s4 m
52.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    3 \" s$ T2 Z& A; q- d" v' }
53.   GPIO_InitStruct.Pin = LED2_Pin;
    + q6 R5 N: Z2 u5 a
54.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
55.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
56.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    6 M; {' t0 d+ B. i5 y
57.   HAL_GPIO_Init(LED2_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    2 o* `+ C* U% ^, l/ H: y1 [" X/ {
58. 
    
59.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    # y6 I$ g: B) F/ v5 y  m" ]$ `
60.   GPIO_InitStruct.Pin = LED0_Pin;
    
61.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    7 ?7 [6 j. i! t# P9 i2 D
62.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    + c* h( M* p$ F; L
63.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    ' N9 l8 P! [0 h( i
64.   HAL_GPIO_Init(LED0_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
65. 
    0 e/ q  d# l1 `% o
66. }

复制代码

        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）。
* ^! l/ q- |1 k: `
) {# r/ c% h" l- a( O

        2.2 GPIO的开发应用接口API简述
        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：

+ i7 w5 U6 X" z; G' d. j
" J/ t& M* Z" b- p
         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。
1 `/ X- C, O# z4 \. ^/ N* }$ r% u- x
. [# T, _4 G6 E9 c% N# T* z, `0 G        关于外部中断回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback，该函数是弱函数
9 B' ~7 r7 O9 ?" P9 M
- u# m( n3 T+ j& e3 I; q
  j! L9 }0 t# J7 [( G( @7 I
        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

" t/ a& ]( b2 X! h( a' v  W7 a+ ]

        并开启该引脚的中断支持



+ {9 o# Y* t( c  n5 g$ A0 U         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）：
0 a) _3 K$ l! g- Z+ V8 Q, _

1. /* USER CODE BEGIN 0 */
     u# u/ D4 V+ R& [3 a6 ~
2. void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
   
3. {
   
4.         if(GPIO_Pin==KEY0_Pin)
   
5.         {
   $ Y& t( C: [; X" B0 v1 l" k* ^
6.                 static uint32_t key0_count = 0;
   
7.                 printf("this is %lu count for HAL_GPIO_EXTI_Callback!\r\n",key0_count++);
   
8.                 Toggle_led0();//LED0等状态反转一次
   ' j; }" R8 Y/ [" c
9.         }
   
10. }
    
11. /* USER CODE END 0 */

复制代码

  Y. P" u; h+ `/ R4 ]         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。

2 C$ A# t! a6 {: ~" v        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。
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