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；