STM32：GPIO口的使用

前言

　　"GPIO的使用1"中主要从内核代码开始，从寄存器的地址映射开始，对GPIO的封装和操作执行逻辑详细分析了一下；

　　内核的函数接口标准是都是一样的CMSIS，了解了GPIO外设的原理，也就了解了其他外设是如何封装的；

　　GPIO使用时先确定是否为外设复用；目的是确定输入输出数据是给外设处理，还是存放在GPIO寄存器里就完了；

　　然后确定IO的输入输出模式；目的是通过软件配置，选择端口在芯片内部的电路连接方式；

　　GPIO上电默认为浮空输入模式，禁止了上下拉电阻；上下拉电阻默认30-50kΩ；保护二极管防止电流反向击穿；

　　0.1 输入模式

　　　　上拉输入：使能上拉电阻的连接，断开下拉电阻的连接；

　　　　下拉输入：断开上拉电阻的连接，使能下拉电阻的连接；

　　　　模拟输入：将IO引脚连接至内部ADC；　　

　　0.2 输出模式

　　　　推挽输出：将P-MOS管和N-MOS管以推挽方式连接；通过两个MOS管的导通与截止来输出高低电平；配置上下拉电阻不使能；

　　　　　　　　    特点是既可以消耗负载的拉电流，也可以向负载输出拉电流，开关时间快；

　　　　开漏输出：P-MOS管始终截止，通过N-MOS管结合上下拉电阻，控制输出高低电平；配置上下拉电阻同时使能；

　　　　　　　　    特点是输出高电平的驱动能力完全由上拉电阻决定，输出低电平的驱动能力十分稳定；

　　0.3 可以将多个开漏输出并连至同一个上拉电阻，形成"线与"逻辑；当其中一个开漏输出输出低电平时，相当于并联回路被导线短路；其他输出也被接到地了；

　　0.4 TSM32H7IO口总的电流最大值为140mA,单个IO口的电流最大值为20mA;具体硬件参数见数据手册；

　　0.5 TTL和CMOS电平标准手册可以查看安富莱论坛：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87676

1 GPIO port

　　STM32一共有7组GPIO port，分别是GPIOA[15:0]~GPIOG[15:0]，每组GPIO port 有16个 pin；每组GPIO port都有一组寄存器；

　　GPIO寄存器的控制单位是GPIO port，而不是pin；所以寄存器的最小处理单位是一个16位的字长(0xFFFF)；

　　至于寄存器的配置我们之后小节在解析，首先来了解一下标准库是如何将GPIO映射到地址上的；

　　

/*stm32f10x.h 1408-1414行声明如下*/
#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)

/* stm32f10x.h  1001-1010行；
*把结构体的首地址映射到GPIO的首寄存器地址，就可以通过该结构体对硬件寄存器操作；
*结构体的地址通过结构体指针来赋值对应上*/
#define __IO  volatile /*core_cm3.h  NO.116*/
typedef struct
{
  __IO uint32_t CRL;
  __IO uint32_t CRH;
  __IO uint32_t IDR;
  __IO uint32_t ODR;
  __IO uint32_t BSRR;
  __IO uint32_t BRR;
  __IO uint32_t LCKR;
} GPIO_TypeDef;

/*stm32f10x.h 1315-1321;*/
#define GPIOA_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOB_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOC_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOD_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOE_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1800)
#define GPIOF_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)
#define GPIOG_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x2000)

/*stm32f10x.h 1282-1283; GPIO都属于APB2总线，使用的时候要使能APB2总线的时钟源；*/
#define APB1PERIPH_BASE       PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000)

/*stm32f10x.h 1274*/
#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000)

2 GPIO 寄存器

　　GPIO涉及的寄存器较多，复用功能和重映射功能都需要配置专门的AFIO寄存器，但是本节暂时没有涉及；

　　本节主要介绍了通用GPIO口涉及到的7个寄存器，具体寄存器的说明和使用如下；

　　2.1 CRL端口配置低寄存器，CRH端口配置高寄存器 control register low，control register high；

　　　　CRL和CRH都是32位寄存器，如下图所示，一起用来控制该组GPIO port的16个引脚配置；

　　　

　　　　2.1.1 CRL和CRH寄存器复位值为0x4444_4444；CRL偏移地址：0x00，CRH偏移地址：0x04；配置信息封装如下；

//定义了CRH和CRL寄存器需要的参数；以下声明在stm32f10x_gpio.h的前200行；
typedef struct
{
  uint16_t GPIO_Pin;                /*用16位bit的每一位分别表示一个引脚*/            
  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;     /*用2位bit来表示输出模式的最大速度*/ 
  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;       /*CNF MODE,具体见结构体*/
}GPIO_InitTypeDef;

#define GPIO_Pin_0                 ((uint16_t)0x0001)  /*0000 0000 0000 0001b*/
#define GPIO_Pin_1                 ((uint16_t)0x0002)  /*0000 0000 0000 0010b*/
#define GPIO_Pin_2                 ((uint16_t)0x0004)  /*0000 0000 0000 0100b*/
#define GPIO_Pin_3                 ((uint16_t)0x0008)  /*0000 0000 0000 1000b*/
#define GPIO_Pin_4                 ((uint16_t)0x0010)  /*0000 0000 0001 0000b*/
#define GPIO_Pin_5                 ((uint16_t)0x0020)  /*0000 0000 0010 0000b*/
#define GPIO_Pin_6                 ((uint16_t)0x0040)  /*0000 0000 0100 0000b*/
#define GPIO_Pin_7                 ((uint16_t)0x0080)  /*0000 0000 1000 0000b*/
#define GPIO_Pin_8                 ((uint16_t)0x0100)  /*0000 0001 0000 0000b*/
#define GPIO_Pin_9                 ((uint16_t)0x0200)  /*!< Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10                ((uint16_t)0x0400)  /*!< Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11                ((uint16_t)0x0800)  /*!< Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12                ((uint16_t)0x1000)  /*!< Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13                ((uint16_t)0x2000)  /*!< Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14                ((uint16_t)0x4000)  /*!< Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15                ((uint16_t)0x8000)  /*!< Pin 15 selected */
#define GPIO_Pin_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /*!< All pins selected */
#define IS_GPIO_PIN(PIN) ((((PIN) & (uint16_t)0x00) == 0x00) && ((PIN) != (uint16_t)0x00))

typedef enum
{ 
  GPIO_Speed_10MHz = 1,     /*output MODE[1:0]*/
  GPIO_Speed_2MHz,          /*output MODE[1:0]*/
  GPIO_Speed_50MHz          /*output MODE[1:0]*/
}GPIOSpeed_TypeDef;
#define IS_GPIO_SPEED(SPEED) (((SPEED) == GPIO_Speed_10MHz) || ((SPEED) == GPIO_Speed_2MHz) || 
                              ((SPEED) == GPIO_Speed_50MHz))
                              
typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0,                /*0000 0000b [4]0 input [3:0]CNF+MODE*/
  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,       /*0000 0100b [4]0 input [3:0]CNF+MODE*/
  GPIO_Mode_IPD = 0x28,               /*0010 1000b [4]0 input [5]下拉,[3:0]CNF+MODE*/
  GPIO_Mode_IPU = 0x48,               /*0100 1000b [4]0 input [6]上拉,[3:0]CNF+MODE*/
  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,            /*0001 0100b [4]1 output,[3:2]CNF*/
  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,            /*0001 0000b [4]1 output,[3:2]CNF*/
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,             /*0001 1100b [4]1 output,[3:2]CNF*/
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18              /*0001 1000b [4]1 output,[3:2]CNF*/
}GPIOMode_TypeDef; 
#define IS_GPIO_MODE(MODE) (((MODE) == GPIO_Mode_AIN) || ((MODE) == GPIO_Mode_IN_FLOATING) || 
                            ((MODE) == GPIO_Mode_IPD) || ((MODE) == GPIO_Mode_IPU) || 
                            ((MODE) == GPIO_Mode_Out_OD) || ((MODE) == GPIO_Mode_Out_PP) || 
                            ((MODE) == GPIO_Mode_AF_OD) || ((MODE) == GPIO_Mode_AF_PP))
#define IS_GET_GPIO_PIN(PIN) (((PIN) == GPIO_Pin_0) || ((PIN) == GPIO_Pin_1) ||((PIN) == GPIO_Pin_2) || 
                              ((PIN) == GPIO_Pin_3) || ((PIN) == GPIO_Pin_4) || ((PIN) == GPIO_Pin_5) || 
                              ((PIN) == GPIO_Pin_6) || ((PIN) == GPIO_Pin_7) || ((PIN) == GPIO_Pin_8) || 
                              ((PIN) == GPIO_Pin_9) || ((PIN) == GPIO_Pin_10) || ((PIN) == GPIO_Pin_11) || 
                              ((PIN) == GPIO_Pin_12) ||((PIN) == GPIO_Pin_13) || ((PIN) == GPIO_Pin_14) || 
                              ((PIN) == GPIO_Pin_15))

typedef enum
{ Bit_RESET = 0,
  Bit_SET
}BitAction;

　　　　2.1.2 配置CRL和CRH的初始化代码如下；

 /*以下代码位于stm32f10x_gpio.c中，配置相应port的CRL和CRH*/
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)
{
  uint32_t currentmode = 0x00, currentpin = 0x00, pinpos = 0x00, pos = 0x00;
  uint32_t tmpreg = 0x00, pinmask = 0x00;
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_InitStruct->GPIO_Mode));
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin));  
  
  currentmode = ((uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Mode) & ((uint32_t)0x0F); //currentmode保留了GPIO_Mode[3:0]；

  if ((((uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Mode) & ((uint32_t)0x10)) != 0x00)//如果GPIO_Mode[4]为1，表示为输出模式；
  { 
     /*if(输出模式)，将CNF[1:0]和MODE[1:0]的信息保存到currentmode[3:0]*/
    assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_InitStruct->GPIO_Speed));
    currentmode |= (uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Speed;//currentmode或上GPIO_Speed[1:0]；
  }
  
  /*以下部分为CRL Configuration*/
  if (((uint32_t)GPIO_InitStruct->GPIO_Pin & ((uint32_t)0x00FF)) != 0x00)        //if(是低8位pin)；
  {
    tmpreg = GPIOx->CRL;                                //temreg存放CRL寄存器的信息；
    for (pinpos = 0x00; pinpos < 0x08; pinpos++)        //pinpos为几，表示引脚几；        
    {
      pos = ((uint32_t)0x01) << pinpos;                    
      currentpin = (GPIO_InitStruct->GPIO_Pin) & pos;    //currentpin:要么为当前pin值，要么为0;
      if (currentpin == pos)
      {
        pos = pinpos << 2;                                //pos:引脚对应的CRL配置位
        pinmask = ((uint32_t)0x0F) << pos;                //pinmask:引脚对应的CRL[3:0]置1
        tmpreg &= ~pinmask;                                //temreg中对应引脚的[3:0]清0
        tmpreg |= (currentmode << pos);                    //temreg中对应引脚的[3:0]配置成currentmode[3:0]

        //此处的if else应该是通过ODR来配置硬件，由中文参考手册8.1.7原理图推测可知       
        if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPD) //if(输入连下拉电阻)
        {
          GPIOx->BRR = (((uint32_t)0x01) << pinpos);     //通过配置ODR的16bit，对应pin的bit置0，连接下拉电阻；
        }
        else
        {
          if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPU)//if(输入连上拉电阻)
          {
            GPIOx->BSRR = (((uint32_t)0x01) << pinpos);     //通过配置ODR的16bit，对应pin的bit置1，连接上拉电阻；
          }
        }
      }
    }
    GPIOx->CRL = tmpreg;  //把配置好对应pin脚的temreg放回CRL中
  }
  
/*---------------------------- GPIO CRH Configuration ------------------------*/
  /* Configure the eight high port pins */
  if (GPIO_InitStruct->GPIO_Pin > 0x00FF)
  {
    tmpreg = GPIOx->CRH;
    for (pinpos = 0x00; pinpos < 0x08; pinpos++)
    {
      pos = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
      /* Get the port pins position */
      currentpin = ((GPIO_InitStruct->GPIO_Pin) & pos);
      if (currentpin == pos)
      {
        pos = pinpos << 2;
        /* Clear the corresponding high control register bits */
        pinmask = ((uint32_t)0x0F) << pos;
        tmpreg &= ~pinmask;
        /* Write the mode configuration in the corresponding bits */
        tmpreg |= (currentmode << pos);
        /* Reset the corresponding ODR bit */
        if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPD)
        {
          GPIOx->BRR = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
        }
        /* Set the corresponding ODR bit */
        if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPU)
        {
          GPIOx->BSRR = (((uint32_t)0x01) << (pinpos + 0x08));
        }
      }
    }
    GPIOx->CRH = tmpreg;
  }
}

　　　　2.1.3 推挽输出，开漏输出，上拉输入和下拉输入的原理推荐参考安富莱文档的解释，以及 https://www.cnblogs.com/tkxja/p/8708732.html

　　2.2 LCKR端口配置锁定寄存器：lock register

　　　　复位值为0x0000_0000；偏移地址：0x18；

　　　　用来锁存对应端口的CRL，CRH寄存器的配置；修改完LCK[15:0]然后锁定[LCKK]，对应的CRL,CRH配置将会持续到下次系统复位信号来临；

　　　　

　　2.3 IDR端口输入数据寄存器，ODR端口输出数据寄存器：input data register，output data register；

　　　　复位值为0x0000_0000；IDR偏移地址：0x08；ODR偏移地址：0x0C

　　　　对于输入数据而言，每个APB2时钟会采样I/O脚上的数据存入数据寄存器中，对寄存器的读取可以获得输入数据；

　　　　对于输出数据而言，应该也是通过APB2时钟控制，把数据放入ODR即可；

　　　　

　　　　2.3.1 IDR寄存器的使用函数

/*以下代码位于stm32f10x_gpio.c中
*1 读取IDR寄存器某一位的值，即pin值；
*2 读取IDR寄存器的值，即port值；
*/
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
  uint8_t bitstatus = 0x00;
  
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  assert_param(IS_GET_GPIO_PIN(GPIO_Pin)); 

  /*先读取整个IDR寄存器，然后通过&来读取bit,IDR寄存器的最小处理单位是16bit*/
  if ((GPIOx->IDR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)
  {
    bitstatus = (uint8_t)Bit_SET;
  }
  else
  {
    bitstatus = (uint8_t)Bit_RESET;
  }
  return bitstatus;
}

uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  
  return ((uint16_t)GPIOx->IDR);
}

　　　　2.3.2 ODR寄存器的使用函数

/*以下代码位于stm32f10x_gpio.c中；
*1 读取ODR寄存器某一位的值；即读取pin值；
*2 读取ODR寄存器的值；即读取port值；
*3 向ODR寄存器写入port值；
*/
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
  uint8_t bitstatus = 0x00;
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  assert_param(IS_GET_GPIO_PIN(GPIO_Pin)); 

   /*先读取整个ODR寄存器，然后通过&来读取bit,ODR寄存器的最小处理单位是16bit*/
  if ((GPIOx->ODR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET){
    bitstatus = (uint8_t)Bit_SET;
  }
  else{
    bitstatus = (uint8_t)Bit_RESET;
  }
  return bitstatus;
}

uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx)
{
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));   
  return ((uint16_t)GPIOx->ODR);
}

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal)
{
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  GPIOx->ODR = PortVal;
}

　　2.4 BSRR端口置位/复位寄存器，BRR端口复位寄存器：bit set/reset register，bit reset register；

　　　　复位值为0x0000_0000；BSRR偏移地址：0x10；BRR偏移地址：0x14；

　　　　对BSRR，BRR的操作，就是对该组GPIO口的ODR寄存器寄存器的操作；

　　　　

　　　　2.4.1 BSRR寄存器：pin置1

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
  
  GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
}

　　　　2.4.2 BRR寄存器：pin清0

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
  
  GPIOx->BRR = GPIO_Pin;
}

　　　　2.4.3 设置pin脚相应的数值：pin的置1清0

void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal)
{
  assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));
  assert_param(IS_GET_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
  assert_param(IS_GPIO_BIT_ACTION(BitVal)); 
  
  if (BitVal != Bit_RESET)
  {
    GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
  }
  else
  {
    GPIOx->BRR = GPIO_Pin;
  }
}

　　虽然BSRR和BRR都可以用来设置单独bit位，但是它们也是通过16bit长度来设置的，不要被函数具有迷惑性的名字给欺骗；

3 GPIO的复用和重映射寄存器

　　3.1 GPIO的复用

　　　　复用功能具体见中文参考手册8.1.11小节；

　　　　看起来只要把输入输出模式配置成相应的外设模式，就可以使用外设了；

　　　　看起来好像没有区分通用GPIO模式和复用GPIO模式啊，而且有的引脚有两三个复用功能的，感觉结构比较琐碎；；

　　3.2 GPIO的重映射

　　　　重映射功能具体见<中文参考手册>8.3和8.4小节；

　　　　8.3小节主要是列出了外设的重映射引脚；8.4小节是外设的重映射寄存器的配置；

　　　　3.1.1 外设的重映射功能需要通过AFIO_MAPR寄存器来映射到GPIO口；然后配置GPIO口复用该外设；这时候就可以使用该外设了；

　　　　3.1.2 芯片为GPIO的复用外设提供了16个可设置的中断，对应16个引脚号；

　　　　　　AFIO_EXTICRx中断寄存器配置端口号；EXTICR1配置引脚[3:0]的端口号，EXTICR4配置引脚[15:12]的端口号；

　　　　3.1.3 外设应该有外设自己的中断函数的吧，这里为什么又为复用的外设提供了16个中断呢？这些中断对应哪些中断处理函数呢？

　　3.3 位带操作

　　　　另外标准库还为GPIO口提供了位带操作，主要就是有两个区域地址块的寄存器是可以直接以bit为单位进行设置；

　　　　相当于给GPIO开了个小灶方便某些不想使用标准库的人可以直接设置寄存器，个人不太中意这个功能；

4 通用GPIO的示例代码

　　配置GPIO端口，在寄存器层面来说：首先使能所在外设的时钟源，然后配置完CRL和CRH后GPIO口就可以使用了；

　　如果GPIO pin 配置成了输入引脚，则从IDR读取数据即可；

　　如果GPIO pin 配置成了输出引脚，输出的信号可以直接写入ODR寄存器，也可以通过BSRR和BRR来设置；

#include "delay.h"

int main(void)
{ 
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Struct;

    //portA pin1 as input;     
    GPIO_Struct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;             
    GPIO_Struct.GPIO_Mode =GPIO_Mode_IPD ;     
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_Struct); 
    
    //portA pin2 as output;                        
    GPIO_Struct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2; 
    GPIO_Struct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Struct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_Struct);                                          
    while(1)
    {
        GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);
        delay_ms(100);
        GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);
        delay_ms(100);
    } 
}

5 小结

　　本文主要是结合通用GPIO口的寄存器，对标准库中通用GPIO口的代码进行了分析和概括；

　　然后提供了一个代码示例；如果只是使用而不想理解标准库原理，则直接使用接口函数即可，如代码示例所示；

　　本文主要参考文档为正点原子的<STM32F1开发指南_库函数版本V3.3>，<STM32F1xxx中文参考手册>的第8章；