【STM32F407开发板用户手册】第17章 STM32F407之GPIO的HAL库API

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第17章       STM32F407之GPIO的HAL库API

本章教程为大家讲解GPIO（General-purpose I/Os）的API使用和注意事项。GPIO是所有外设里面较容易掌握的，但也是用到最多的。

配合第15章讲解的各种IO模式再学习本章，更容易理解透彻。

17.1 初学者重要提示

17.2 GPIO涉及到的寄存器

17.3 源文件stm32f4xx_hal_gpio.c

17.4 如何使用HAL库的GPIO驱动

17.5 总结

17.1 初学者重要提示

1、  如何阅读HAL库源码的问题

HAL库实现的函数有复杂的，也有简单的，简单的可以直接阅读代码。复杂的代码阅读起来比较耗时间，如果再配合参考手册抠每个寄存器的配置，那就更消耗时间了。所以对于这种函数，用户仅需了解每个部分实行的功能即可，而且HAL库都做了关键注释，以说明这部分实现的功能。所以用户没有必要去抠每个配置是如何实现的，仅需知道实现了什么功能。以后工程项目有需要了解具体配置时，再看即可。

2、 学习本章节前，务必保证已经学习了第15章。

17.2 GPIO涉及到的寄存器

GPIO外设涉及到的寄存器比较少，也容易理解，推荐大家阅读GPIO源码的时候将参考手册中对应的寄存器功能做一个了解。

很多时候，我们会直接调用GPIO的寄存器进行配置，而不使用HAL进行调用，以提高执行效率，特别是中断里面执行时。

17.3 源文件stm32f4xx_hal_gpio.c

这个文件主要是实现GPIO的引脚配置，学习这个文件注意事项：

•   系统上电后，引脚默认状态是模拟模式。
•   所有的引脚有弱上拉和弱下拉电阻，阻值范围30-50KΩ。其中配置为模拟模式时，上拉和下拉被硬件禁止，其它的输入、输出和复用都可以配置上拉和下拉。
•   在输出或者复用模式，每个引脚可以配置成推挽或者开漏，且有GPIO速度等级可配置。另外注意，不同的供电范围，实际速度等级是有些区别的。
•   每个GPIO都可以配置成外部中断/事件模式，但要特别注意，引脚要配置成输入模式，在芯片的内部有个多路选择器，选择引脚与16个外部中断/事件EXTI0 - EXTI15中的那个导通。这就决定了，每个外部中断/事件只能与一个引脚导通，如果用户配置了多个引脚PA0，PB0，PC0等，那么只有一个能够与EXTI0导通。

17.3.1 函数HAL_GPIO_Init

函数原型：

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef  *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
{
/* 部分省略未写 */

  /* 配置GPIO引脚，这些采用16个引脚的循环检测模式 */
  for(position = 0; position < GPIO_NUMBER; position++)
  {
     /* 部分省略未写 */
    if(iocurrent == ioposition)
    {
      /*--------------------- GPIO模式配置 ------------------------*/
     
      /*--------------------- EXTI模式配置 ------------------------*/
     
    }
  }
}

函数描述：

此函数用于初始化GPIO，此函数主要实现如下功能：

•   GPIO功能配置。
•   设置EXTI功能。

函数参数：

•   第1个参数用于填写使用的端口号，可以是：

#define GPIOA    ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB    ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC    ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD    ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE     ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF     ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG     ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
#define GPIOH     ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)
#define GPIOI      ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE)
#define GPIOJ      ((GPIO_TypeDef *) GPIOJ_BASE)
#define GPIOK     ((GPIO_TypeDef *) GPIOK_BASE)

•   第2个形参是GPIO_InitTypeDef类型的结构体变量，这个变量比较重要，要熟练掌握，定义如下：

{
  uint32_t Pin;    
  uint32_t Mode; 
  uint32_t Pull;     
  uint32_t Speed;   
  uint32_t Alternate; 
}GPIO_InitTypeDef;

下面将结构体每个成员做个说明：

•   成员Pin用于配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15，额外还可以选择GPIO_PIN_All和GPIO_PIN_MASK。
•   成员Mode可以选择：

GPIO_MODE_INPUT             /* 输入模式  */
GPIO_MODE_OUTPUT_PP        /* 推挽输出  */
GPIO_MODE_OUTPUT_OD       /* 开漏输出  */
GPIO_MODE_AF_PP             /* 复用推挽  */
GPIO_MODE_AF_OD            /* 复用开漏  */

GPIO_MODE_ANALOG          /* 模拟模式  */
GPIO_MODE_IT_RISING         /* 外部中断，上升沿触发检测 */
GPIO_MODE_IT_FALLING       /* 外部中断，下降沿触发检测 */
GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING    /* 外部中断，双沿触发检测   */

GPIO_MODE_EVT_RISING           /* 外部事件模式，上升沿触发检测  */
GPIO_MODE_EVT_FALLING          /* 外部事件模式，下降沿触发检测  */
GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING  /* 外部事件模式，双沿触发检测 */

•   成员Pull用于配置上拉下拉电阻：

GPIO_NOPULL         /* 无上拉和下拉电阻 */
GPIO_PULLUP          /* 带上拉电阻  */
GPIO_PULLDOWN    /* 带下拉电阻  */

•   成员Speed用于配置GPIO速度等级，有下面四种可选：

GPIO_SPEED_FREQ_LOW          /* 低速 */
GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM      /* 中等速度 */
GPIO_SPEED_FREQ_HIGH         /* 快速 */
GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH   /* 高速  */

•   成员Alternate用于配置引脚复用，可选择的复用方式在文件stm32f4xx_hal_gpio_ex.h里面进行了定义，比如串口复用：

GPIO_AF7_USART1   
GPIO_AF7_USART2    
GPIO_AF7_USART3       
GPIO_AF7_USART6    
GPIO_AF7_UART7 

注意事项：

1. 与F1，F4系列的标准库不同，F4的HAL库已经没有单独的EXTI外部中断设置文件，是将其整合到此函数里面了。
2. 函数HAL_GPIO_Init对引脚的初始化是把同组16个引脚for循环检测了一遍，效率稍低。所以不推荐下面这种初始化：

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;                   
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;  
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);   //这里会执行16次for查询

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);   //这里会执行16次for查询
       
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  //这里会执行16次for查询

如果是程序运行期间的引脚状态切换，最好采用下面的方式或者直接寄存器操作：

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 |GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 ;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;                   
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;              
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;  

HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  //这里会执行16次for查询

使用举例：

GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;      /* 推挽输出 */         
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;                /* 无上拉和下拉电阻 */ 
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; /* GPIO速度等级最高 */

HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  

17.3.2 函数HAL_GPIO_DeInit

函数原型：

void HAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef  *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin)
{  
  for(position = 0; position < GPIO_NUMBER; position++)
  {
     /* 部分省略未写 */
    if(iocurrent == ioposition)
    {
      /*------------------------- GPIO Mode Configuration --------------------*/
      /* 配置为模拟模式 */
      GPIOx->MODER |= (GPIO_MODER_MODER0 << (position * 2));

      /* 配置复用模式为AF0，即作为通用IO */
      GPIOx->AFR[position >> 3] &= ~((uint32_t)0xF << ((uint32_t)(position & (uint32_t)0x07) * 4)) ;

      /* 配置到最低速度 */
      GPIOx->OSPEEDR &= ~(GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR0 << (position * 2));

      /* 输出类型是推挽，如果IO模式被设置为模拟，此选项对其没有影响 */
      GPIOx->OTYPER  &= ~(GPIO_OTYPER_OT_0 << position) ;

      /* 无上拉和下拉电阻 */
      GPIOx->PUPDR &= ~(GPIO_PUPDR_PUPDR0 << (position * 2));

      /*------------------------- EXTI模式配置 --------------------*/
      
    }
  }
}

函数描述：

此函数用于复位IO到初始化状态，具体状态看函数原型中的注释即可。

函数参数：

•   第1个参数用于填写使用的端口号，可以是：

#define GPIOA    ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB    ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC    ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD    ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE     ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF     ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG     ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
#define GPIOH     ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)
#define GPIOI      ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE)
#define GPIOJ      ((GPIO_TypeDef *) GPIOJ_BASE)
#define GPIOK     ((GPIO_TypeDef *) GPIOK_BASE)

•   第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

17.3.3 函数HAL_GPIO_ReadPin

函数原型：

GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
  GPIO_PinState bitstatus;

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));

  if((GPIOx->IDR & GPIO_Pin) != (uint32_t)GPIO_PIN_RESET)
  {
    bitstatus = GPIO_PIN_SET;
  }
  else
  {
    bitstatus = GPIO_PIN_RESET;
  }
  return bitstatus;
}

函数描述：

此函数用于读取引脚状态，通过GPIO的IDR寄存器读取。

函数参数：

•   第1个参数用于填写使用的端口号，从GPIOA到GPIOK。
•   第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

17.3.4 函数HAL_GPIO_WritePin

函数原型：

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
  assert_param(IS_GPIO_PIN_ACTION(PinState));

  if(PinState != GPIO_PIN_RESET)
  {
    GPIOx->BSRRL = GPIO_Pin;
  }
  else
  {
    GPIOx->BSRRH = GPIO_Pin ;
  }
}

函数描述：

此函数用于设置引脚输出高电平或者低电平。使用GPIO的BSRR寄存器进行设置，使用这个寄存器的好处是支持原子操作，由硬件支持的。原子操作的含义是操作过程不会被中断打断，而我们使用GPIO中另一个设置输出的寄存ODR是会被中断打断的。大家看下寄存器赋值操作对应的反汇编，是由多条汇编指令组成的。

函数参数：

•   第1个参数用于填写使用的端口号，从GPIOA到GPIAK。
•   第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。
•   第3个参数用于设置引脚输出高电平还是低电平，GPIO_PIN_RESET表示低电平，GPIO_PIN_SET表示高电平。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

17.3.5 函数HAL_GPIO_TogglePin

函数原型：

void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));

  GPIOx->ODR ^= GPIO_Pin;
}

函数描述：

此函数用于设置引脚的电平翻转，使用GPIO的ODR寄存器进行设置。

函数参数：

•   第1个参数用于填写使用的端口号，从GPIOA到GPIAK。
•   第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

17.3.6 函数HAL_GPIO_LockPin

函数原型：

HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
  __IO uint32_t tmp = GPIO_LCKR_LCKK;

  assert_param(IS_GPIO_LOCK_INSTANCE(GPIOx));
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));

  /* 应用IO锁的写入顺序 */
  tmp |= GPIO_Pin;
  /* 设置 LCKx bit(s): LCKK='1' + LCK[15-0] */
  GPIOx->LCKR = tmp;
  /* 复位 LCKx bit(s): LCKK='0' + LCK[15-0] */
  GPIOx->LCKR = GPIO_Pin;
  /* 设置 LCKx bit(s): LCKK='1' + LCK[15-0] */
  GPIOx->LCKR = tmp;
  /* 复位 LCKK bit*/
  tmp = GPIOx->LCKR;

 if((GPIOx->LCKR & GPIO_LCKR_LCKK) != RESET)
  {
    return HAL_OK;
  }
  else
  {
    return HAL_ERROR;
  }
}

函数描述：

此函数用于锁住GPIO引脚所涉及到的寄存器，这些寄存器包括GPIOx_MODER，GPIOx_OTYPER，GPIOx_OSPEEDR，GPIOx_PUPDR，GPIOx_AFRL 和 GPIOx_AFRH。

函数参数：

•   第1个参数用于填写使用的端口号，从GPIOA到GPIAK。
•   第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。

注意事项：

1. 此函数是锁住用户设置的引脚所对应的寄存器某些位，并不是把整个寄存器都锁住了。
2. 一旦锁住后，就不能再修改，只有复位后才可以重新配置。

使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。

17.4 如何使用HAL库的GPIO驱动

使用方法由HAL库提供（本章17.3.1小节提供的例子就是这种方式）：

•   第1步：使能GPIO所在总线的AHB时钟，__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()。
•   第2步：通过函数HAL_GPIO_Init()配置GPIO。

(1)    通过结构体GPIO_InitTypeDef的成员Mode配置输入、输出、模拟等模式。

(2)    通过结构体GPIO_InitTypeDef的成员Pull配置上拉、下拉电阻。

(3)    通过结构体GPIO_InitTypeDef的成员Speed配置GPIO速度等级。

(4)    如果选择了复用模式，那么就需要配置结构体GPIO_InitTypeDef的成员Alternate。

(5)    如果引脚功能用于ADC、DAC的话，需要配置引脚为模拟模式。

(6)    如果是用于外部中断/事件，结构体GPIO_InitTypeDef的成员Mode可以配置相应模式，相应的上升沿、下降沿或者双沿触发也可以选择。

•   第3步：如果配置了外部中断/事件，可以通过函数HAL_NVIC_SetPriority设置优先级，然后调用函数HAL_NVIC_EnableIRQ使能此中断。
•   第4步：输入模式读取引脚状态可以使用函数HAL_GPIO_ReadPin。
•   第5步：输出模式设置引脚状态可以调用函数HAL_GPIO_WritePin()和HAL_GPIO_TogglePin。

另外注意下面三个问题：

•   系统上电复位后，GPIO默认是模拟模式，除了JTAG相关引脚。
•   关闭LSE的话，用到的两个引脚OSC32_IN和OSC32_OUT（分别是PC14，PC15）可以用在通用IO，如果开启了，就不能再做GPIO。
•   关闭HSE的话，用到的两个引脚OSC_IN和OSC_OUT（分别是PH0，PH1）可以用在通用IO，如果开启了，就不能再做GPIO。

17.5 总结

本章节就为大家讲解这么多，建议大家将GPIO的驱动源码结合参考手册中的寄存器通读一遍，对于我们后面章节的学习大有裨益。