一、GPIO介绍
! S& m$ H& [' t" p8 u/ D        1.1 GPIO 简述
2 b# s& u5 P: q( b5 \9 r        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。
' v& T+ F6 M& d7 a
        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。



2 S; L! R, `0 h
       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。
& V& @) t  y  {7 A
0 j& \1 `0 B0 a% m
2 M! d# D& G0 t; ], V! p7 c9 b
9 n+ ~9 G& x# q; W
2 \6 D5 H# X5 X        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）。



        1.3 GPIO引脚与标记
         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。
9 p/ z9 p% h" U5 }& V5 U) M/ F


8 K' @5 b2 n1 k: B7 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：
- j; R/ Y; i6 H
$ q) ?# d# V. O        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；

        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。

        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。

! s+ M- h1 Y" v- v8 a2 X1 h; v' X2 E
3 k, D& v$ v5 S, B& {5 [. b* k
         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。
! t: e) F/ [" v7 x/ y- l* W8 k: d8 r


         GPIO分组引脚地址在HLA宏定义数值如下。
8 }. v& p. \# f6 y( ?( K& i  x

1. #define GPIO_PIN_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected    */
   
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    */
   ( m/ H& s  h: R
5. #define GPIO_PIN_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected    */
   + t" f$ S' f- `  e6 G6 a# y5 [8 x
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    */
   
10. #define GPIO_PIN_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected    */
    ; O) w4 e) O3 R: G+ ]5 L  ^9 E
11. #define GPIO_PIN_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected   */
    ' M+ x( o- Z7 l' f4 B9 W1 o
12. #define GPIO_PIN_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected   */
    - c8 x% U" a9 Y5 p7 C# f; d
13. #define GPIO_PIN_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected   */
    6 i5 l% ^' G: h$ r2 N
14. #define GPIO_PIN_13                ((uint16_t)0x2000)  /* Pin 13 selected   */
    
15. #define GPIO_PIN_14                ((uint16_t)0x4000)  /* Pin 14 selected   */
    , k1 p: u; r/ @" ?7 C% n& o
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

6 C7 _+ U1 l/ U3 v. `        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. {
   0 ?) H6 D$ i% R) m
3.   __IO uint32_t MODER;       /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
   
4.   __IO uint32_t OTYPER;      /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */
   # Z" i* a  i; D/ G
5.   __IO uint32_t OSPEEDR;     /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */
   
6.   __IO uint32_t PUPDR;       /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,  Address offset: 0x0C      */
   
7.   __IO uint32_t IDR;         /*!< GPIO port input data register,         Address offset: 0x10      */
   ( v  ], Y9 n" L6 @4 Q' [% k8 D
8.   __IO uint32_t ODR;         /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
   
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 */
    3 i+ [8 _/ o( @: M% p
12.   __IO uint32_t BRR;         /*!< GPIO Bit Reset register,               Address offset: 0x28      */
    - @) p2 x- M  @7 S/ @: E, j
13. 
    
14. } GPIO_TypeDef;

复制代码

/ G$ G' T8 D4 P8 s        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: m5 f6 C- M1 O& u
. z6 P  S% K* e! P% Y6 h

3 n8 ]- L4 r/ p. y         那么在生成输出代码时，会通过#define实现标识名替换。


4 H2 i/ \( E" ?
; V. U+ X! y/ V3 \3 X& J7 Z% c
: w# A) a: c) Q7 \9 t& r         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。

. M/ P# t& x6 N# Z4 |
2 \7 Q1 x' s1 s& _" k
         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。



         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。
  Y8 a1 D5 B! C5 m
- ~" c% X, H. N3 l+ {/ C
. ?& {6 {% V- {0 B4 Q8 K
5 M6 h: Z- Z# [( O" x  N( r2 k        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。
6 e, X. z' g$ z1 R
4 M3 m* B4 T4 N8 u) x3 w% e7 d, ?
- w3 V9 w7 Z/ A" M/ a+ h, z% {  |3 m4 v
二、GPIO的HLA源码分析
        2.1 HLA库GPIO初始化
! P, ^) a# s+ H6 @        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。

3 b  v/ i3 C4 `- |. J$ x        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。
7 y, i* c% U5 `! }( i
0 l3 F' U: n! [0 j0 ]  a

1. //main.h
   
2. /* Private defines -----------------------------------------------------------*/
   
3. #define LED1_Pin GPIO_PIN_3
     V) l, g0 Q8 S( G
4. #define LED1_GPIO_Port GPIOE
   ' m0 t  j! T5 {; J
5. #define KEY2_Pin GPIO_PIN_10
   
6. #define KEY2_GPIO_Port GPIOE
   
7. #define KEY0_Pin GPIO_PIN_11
   
8. #define KEY0_GPIO_Port GPIOE
   
9. #define KEY1_Pin GPIO_PIN_14
   
10. #define KEY1_GPIO_Port GPIOE
    ! T1 `$ c7 f# J  t
11. #define LED2_Pin GPIO_PIN_15
    
12. #define LED2_GPIO_Port GPIOD
    
13. #define LED0_Pin GPIO_PIN_6
    
14. #define LED0_GPIO_Port GPIOB
    
15. /* USER CODE BEGIN Private defines */
    3 P- d1 ^) g& ^" V
16. //gpio.c
    
17. void MX_GPIO_Init(void)
    5 }7 y+ \, {8 p  w8 \+ e7 y
18. {
    0 P& S# n9 o' N- ]* D" q- m
19. 
    + E# B. m. \" L/ k/ ~$ @, A
20.   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    2 p+ V: x6 d' z( b8 Z  c
21. 
    
22.   /* GPIO Ports Clock Enable */
    2 u( C$ P0 N4 U6 T: q5 c3 B, h
23.   __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
    
24.   __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    8 y: Y* m% Q! x
25.   __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
    
26.   __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    + Q4 X( x" k8 T8 L+ C" }
27.   __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
    / J$ C) `9 M1 k) Z% o' ]9 [
28.   __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    2 ~# S9 q6 U! H' I4 K0 c
29. 
    - ^- g' R* a+ o4 v; ]
30.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    
31.   HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    - x6 E7 q' J. ^1 g$ d% o6 D. m( O6 n
32. 
    . Y; K+ B' T$ T- A$ G( ]: j$ I* G
33.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    - b1 r! c( L7 Y" f* e9 p3 S
34.   HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    / f1 ~' M2 l! I9 Q6 [0 @
35. 
    + @8 k. j3 L: a2 o$ o& |( ?- v/ l
36.   /*Configure GPIO pin Output Level */
    3 @# q  W8 m5 c9 A: W2 p: I
37.   HAL_GPIO_WritePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    
38. 
    
39.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    
40.   GPIO_InitStruct.Pin = LED1_Pin;
    
41.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    + V4 }6 j6 h, {$ _2 H
42.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    9 V1 T" x) S* k' \) C9 C, c$ h
43.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
44.   HAL_GPIO_Init(LED1_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    - {  j) D. S( V
45. 
    - U0 s, p( l& T
46.   /*Configure GPIO pins : PEPin PEPin PEPin */
    
47.   GPIO_InitStruct.Pin = KEY2_Pin|KEY0_Pin|KEY1_Pin;
    
48.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    
49.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
50.   HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);
    
51. 
    
52.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    1 d( T% I! Y: x9 M- `' @
53.   GPIO_InitStruct.Pin = LED2_Pin;
    0 W1 o; i/ B- q
54.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    
55.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
56.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    . `9 @: D9 \2 i$ g
57.   HAL_GPIO_Init(LED2_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    
58. 
    3 Z! |9 Z% g9 U, A4 C, ?' ^
59.   /*Configure GPIO pin : PtPin */
    
60.   GPIO_InitStruct.Pin = LED0_Pin;
    
61.   GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    / n9 n7 s) S" u8 n6 ]6 w
62.   GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    
63.   GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    
64.   HAL_GPIO_Init(LED0_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
    ( c, r" e  r- d0 Q
65. 
    . I. x- _/ |" ~. q2 K' n1 n
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）。



+ ^2 @$ a9 e' ?5 [        2.2 GPIO的开发应用接口API简述
, D8 W& L& B' G. Y9 c/ X        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：


/ L$ X' s% \. W9 S8 [( A6 `0 D: M
         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。
( s5 y( S/ S& o3 B
        关于外部中断回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback，该函数是弱函数
5 J- k9 V. U3 Y5 A/ \5 R2 m
2 ^( T) p0 D4 e) r$ x) t

        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
: i3 q9 l  K7 G/ P
  ^$ H# W- H, K1 b
3 J; B; T1 d1 r- c3 I7 z9 o; c% ]7 o
        并开启该引脚的中断支持

& N: f7 A8 N& |: i( A
) Y+ y( a* t* }. P
         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）：
( W2 e3 e2 t# K: p/ j

1. /* USER CODE BEGIN 0 */
   
2. void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
   
3. {
   5 _7 |/ |$ e1 A0 f& H( x
4.         if(GPIO_Pin==KEY0_Pin)
   
5.         {
   * Q: {3 ~) `' g
6.                 static uint32_t key0_count = 0;
   6 t. J+ Y' J8 L' `0 `4 Z
7.                 printf("this is %lu count for HAL_GPIO_EXTI_Callback!\r\n",key0_count++);
     e" R$ x2 s. H
8.                 Toggle_led0();//LED0等状态反转一次
   7 \0 w/ R( g' j
9.         }
   3 g3 F( n" Z8 p
10. }
    . R# @6 b6 o4 W. u
11. /* USER CODE END 0 */

复制代码

3 c. J( X' Y& a! l% n         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。
. I7 h- H) h: w9 }1 a) l
. t. W6 o% u9 t/ z9 u        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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