一、GPIO介绍
        1.1 GPIO 简述
        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。
4 C# V" m% J6 \% y& T
& o& A# u  N: V5 P


9 l, E7 @8 G$ L8 ~+ n       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。
% Q/ D' Z6 u  r: _0 Q. T


) M& S- V+ X5 Z/ |
        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）。
, T: O: t0 ?. @# A) `
# Z1 Z2 @& H/ q* \: y# ~' \
9 Q& w1 t2 A7 C6 x2 T
0 C: T9 C: V+ H' i        1.3 GPIO引脚与标记
: h" g9 c1 [! I/ L         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。


* k1 V! ?* N$ O/ b! d4 T
5 I4 W( T; k" Q; z- K* e# p- X, k" I0 ?        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：

2 p/ I: j) ^3 K& N7 C1 M        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；
1 R  x2 i. i$ A
& l* T1 o& s4 G2 F; N+ _        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。
& n6 G5 C0 D. J- E5 A, y# N/ ^- m( Q
- V% {& ^4 h8 C" K" g        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。
9 o1 _/ G( q: H5 m% l

% r) Z; I& r- `1 F2 }- |5 Y! a( V7 `
         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。
8 h. f2 b9 w3 |; D* y$ L3 g" E
' Y* y9 U$ o, V3 j- y
& e7 S3 T; D! }+ d6 r, A
0 y1 c+ h6 N1 ]         GPIO分组引脚地址在HLA宏定义数值如下。
6 o, P5 _: w2 D6 P8 T; g7 {( K

1. #define GPIO_PIN_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected    */
   ; C' F: m/ q3 X
2. #define GPIO_PIN_1                 ((uint16_t)0x0002)  /* Pin 1 selected    */
   
3. #define GPIO_PIN_2                 ((uint16_t)0x0004)  /* Pin 2 selected    */
   
4. #define GPIO_PIN_3                 ((uint16_t)0x0008)  /* Pin 3 selected    */
   
5. #define GPIO_PIN_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected    */
   4 R, [1 R; a* U1 c* G2 m) W/ ]5 B
6. #define GPIO_PIN_5                 ((uint16_t)0x0020)  /* Pin 5 selected    */
   $ B6 U! {. T, b! g" x0 H6 q9 p! F9 w
7. #define GPIO_PIN_6                 ((uint16_t)0x0040)  /* Pin 6 selected    */
   
8. #define GPIO_PIN_7                 ((uint16_t)0x0080)  /* Pin 7 selected    */
   , q8 h8 `0 Y* [, ^4 p( F$ n
9. #define GPIO_PIN_8                 ((uint16_t)0x0100)  /* Pin 8 selected    */
   
10. #define GPIO_PIN_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected    */
    7 t7 h" M7 |; `, A
11. #define GPIO_PIN_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected   */
    7 ?# w/ v5 M; j
12. #define GPIO_PIN_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected   */
    9 _7 t5 I, f0 y& A
13. #define GPIO_PIN_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected   */
    8 }  D8 F: T4 |: {( ]: D$ a$ Z# {
14. #define GPIO_PIN_13                ((uint16_t)0x2000)  /* Pin 13 selected   */
    / z4 g$ t/ L# P6 c& C7 H' y  x
15. #define GPIO_PIN_14                ((uint16_t)0x4000)  /* Pin 14 selected   */
    
16. #define GPIO_PIN_15                ((uint16_t)0x8000)  /* Pin 15 selected   */
    
17. #define GPIO_PIN_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /* All pins selected */

复制代码

        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. {
   5 o6 h& E$ h# Y4 H* m
3.   __IO uint32_t MODER;       /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
     }7 `" a  \, ~  m
4.   __IO uint32_t OTYPER;      /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */
   
5.   __IO uint32_t OSPEEDR;     /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */
   : @, W4 Y8 _6 m5 D' M; E
6.   __IO uint32_t PUPDR;       /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,  Address offset: 0x0C      */
   # ?# f6 y: F: D: M# |3 o/ g. j
7.   __IO uint32_t IDR;         /*!< GPIO port input data register,         Address offset: 0x10      */
   6 t  b$ z  t5 N5 N7 q1 {
8.   __IO uint32_t ODR;         /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
   : Z7 z' ~! Y8 \" L
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 */
    6 U) i' q. w$ e6 X
12.   __IO uint32_t BRR;         /*!< GPIO Bit Reset register,               Address offset: 0x28      */
    
13. 
    / C" Z) x! w. I. Z9 l' B0 D- C
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。

: G/ F/ Z+ m( J9 [& \! e- O# U2 v

8 d- U3 K7 L6 X1 {, q$ f         那么在生成输出代码时，会通过#define实现标识名替换。



. G+ B9 D, f/ d6 `
         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。
! z* z( V+ s: Z* L+ k, ?5 q2 D4 `
; V# {. ~: E& ?0 n  p

" z, B7 @4 P5 M( ^: B7 b& [         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。
- L4 y3 i9 U2 @7 C! M2 x- T
% G+ M: a  v5 h9 ^2 n

8 `" [* G8 T, @( n0 ?0 G) }* Z, }         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。

* |  s% m! r4 I( R4 G( F% |: R
$ W) g9 y* Q7 F; ^0 y( Y0 y8 `. Y( ]
3 r1 f$ l4 g* y( h0 a        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。
1 O9 D/ J! A1 O8 ~* Z. P- h
9 p7 [- c' K+ ~) U, @: O

二、GPIO的HLA源码分析
$ y3 V$ b& Y9 j: @$ B        2.1 HLA库GPIO初始化
/ v) Q% ]* d' D, N2 ?+ u, o        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。
/ l- w& U& E$ @" ]# i
        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。

1. //main.h
   
2. /* Private defines -----------------------------------------------------------*/
   ( w% B6 Z  z8 e! T
3. #define LED1_Pin GPIO_PIN_3
   
4. #define LED1_GPIO_Port GPIOE
   , _- x0 O& d% i: M# P& d: `
5. #define KEY2_Pin GPIO_PIN_10
   3 X3 X: j/ P: V1 z0 y* o. s% G
6. #define KEY2_GPIO_Port GPIOE
   , J7 w) p0 z( l  A1 }
7. #define KEY0_Pin GPIO_PIN_11
     e7 T3 U3 f# V% x' z5 E
8. #define KEY0_GPIO_Port GPIOE
   5 l: Y" B3 x8 U% j$ O
9. #define KEY1_Pin GPIO_PIN_14
   $ F$ ~  V* C( o7 R4 F$ I) K( X! L
10. #define KEY1_GPIO_Port GPIOE
    * H8 p" Z/ i" t
11. #define LED2_Pin GPIO_PIN_15
    3 |8 N( R7 R1 H# [* B1 G' L4 R; l* g
12. #define LED2_GPIO_Port GPIOD
    
13. #define LED0_Pin GPIO_PIN_6
    
14. #define LED0_GPIO_Port GPIOB
    " q) k$ ]% T* i. s1 _0 D0 h: t
15. /* USER CODE BEGIN Private defines */
    
16. //gpio.c
    ; O5 W" w% j& k0 o, n: l! w# O0 a
17. void MX_GPIO_Init(void)
    
18. {
    / a5 K5 }9 f' {$ n9 c8 Z
19. 
    % \8 _  n" e, w7 r3 e( A6 Q
20.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
21. 
    
22.   /* GPIO Ports Clock Enable */
    # b2 p/ p9 y3 C. f7 g: a' {. C* k
23.   __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    . f3 ]0 Y7 z  y, e" f
24.   __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    7 g+ c; j0 V" L7 `2 v2 H
25.   __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
    
26.   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    2 b& x. J3 N% X8 G
27.   __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
    0 o- C9 S8 D( m. _7 l- s
28.   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
29. 
    6 [7 e6 J$ u5 R. X* |$ Y2 v
30.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    4 ?7 @; F  T4 K# n' V% I' J, T6 C
31.   HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
32. 
    " u1 `* W/ I- @8 v
33.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    + \  W( h/ z/ a0 J, K
34.   HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
35. 
    
36.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    + N$ e. |3 I4 d1 P; M, _0 O. h
37.   HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
38. 
    
39.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    
40.   GPIO_InitStruct.Pin = LED1_Pin;
    & X0 D( }' T4 {/ U/ w+ m4 H& G
41.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
42.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    3 H2 Y: f; ~+ m4 s* H4 ?: M
43.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    / n, n( B5 R9 Y3 y" I8 S  ]2 K( `
44.   HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    ! v. B9 h; ^7 ~: M
45. 
    
46.   /*Configure GPIO pins : PEPin PEPin PEPin */
    
47.   GPIO_InitStruct.Pin = KEY2_Pin|KEY0_Pin|KEY1_Pin;
    ! |: I' c8 F- S
48.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    ! G! a4 ?5 X) ~" ~9 X! Q' P
49.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    & Q; J, I- u0 ^: D3 A: o0 T
50.   HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);
    
51. 
    & l+ H/ q5 {/ s: I+ v
52.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    
53.   GPIO_InitStruct.Pin = LED2_Pin;
    & y5 I& l6 H9 Y0 ]( l
54.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    * z3 U: r/ p4 E: B3 Z& R
55.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    9 v1 q# t, \3 n% P/ g. m
56.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    . c+ G6 a5 b: X# ~( w/ V
57.   HAL_GPIO_Init(LED2_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
58. 
    
59.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    
60.   GPIO_InitStruct.Pin = LED0_Pin;
    5 _' F  E8 j) ~- Y% E, x; K! i: r8 J5 M6 _5 t
61.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    + |* M& `* a. N
62.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
63.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
64.   HAL_GPIO_Init(LED0_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    ; z& P3 G2 r3 q# ^, m
65. 
    7 u2 J2 U: v) K8 e1 f& Y! V
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）。

8 E$ I# P# c  K  B3 Z+ j( x, y

        2.2 GPIO的开发应用接口API简述
5 s1 T) {9 i& B7 [6 V        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：
/ ]8 \- B( u! f


         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。

( m% }. W! |5 N4 _. N! P        关于外部中断回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback，该函数是弱函数
/ E3 m& t: u" F8 X# m7 N1 k
. \. x9 I) |4 T. ]9 Y
4 V" N) m. P' U7 x' H6 c; l
        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


1 c% ^3 G1 p4 e* B' ]8 Q
        并开启该引脚的中断支持

( ~2 ^) G6 q4 [

" c% c9 Z0 P2 d# U. v- W         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）：

1. /* USER CODE BEGIN 0 */
   $ l: t0 x8 x' x+ f7 z
2. void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
   
3. {
   
4.         if(GPIO_Pin==KEY0_Pin)
   
5.         {
   
6.                 static uint32_t key0_count = 0;
   
7.                 printf("this is %lu count for HAL_GPIO_EXTI_Callback!\r\n",key0_count++);
   % a" a! C8 b$ C0 ]8 s$ W/ u$ _
8.                 Toggle_led0();//LED0等状态反转一次
   : \' j* b) w8 F* @! s
9.         }
   1 s, N5 B! Y; ?
10. }
    4 e0 @4 ]4 k2 t0 f  H5 \
11. /* USER CODE END 0 */

复制代码

         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。

        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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7 f6 P4 M% ]% q3 ?