前言
"GPIO的使用1"中主要從內核代碼開始，從寄存器的地址映射開始，對GPIO的封裝和操作執行邏輯詳細分析了一下；
內核的函數接口標准是都是一樣的CMSIS，了解了GPIO外設的原理，也就了解了其他外設是如何封裝的；
GPIO使用時先確定是否為外設復用；目的是確定輸入輸出數據是給外設處理，還是存放在GPIO寄存器里就完了；
然后確定IO的輸入輸出模式；目的是通過軟件配置，選擇端口在芯片內部的電路連接方式；
GPIO上電默認為浮空輸入模式，禁止了上下拉電阻；上下拉電阻默認30-50kΩ；保護二極管防止電流反向擊穿；
0.1 輸入模式
上拉輸入：使能上拉電阻的連接，斷開下拉電阻的連接；
下拉輸入：斷開上拉電阻的連接，使能下拉電阻的連接；
模擬輸入：將IO引腳連接至內部ADC；
0.2 輸出模式
推挽輸出：將P-MOS管和N-MOS管以推挽方式連接；通過兩個MOS管的導通與截止來輸出高低電平；配置上下拉電阻不使能；
特點是既可以消耗負載的拉電流，也可以向負載輸出拉電流，開關時間快；
開漏輸出：P-MOS管始終截止，通過N-MOS管結合上下拉電阻，控制輸出高低電平；配置上下拉電阻同時使能；
特點是輸出高電平的驅動能力完全由上拉電阻決定，輸出低電平的驅動能力十分穩定；
0.3 可以將多個開漏輸出並連至同一個上拉電阻，形成"線與"邏輯；當其中一個開漏輸出輸出低電平時，相當於並聯回路被導線短路；其他輸出也被接到地了；
0.4 TSM32H7IO口總的電流最大值為140mA,單個IO口的電流最大值為20mA;具體硬件參數見數據手冊；
0.5 TTL和CMOS電平標准手冊可以查看安富萊論壇：http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=87676
1 GPIO port
STM32一共有7組GPIO port，分別是GPIOA[15:0]~GPIOG[15:0]，每組GPIO port 有16個 pin；每組GPIO port都有一組寄存器；
GPIO寄存器的控制單位是GPIO port，而不是pin；所以寄存器的最小處理單位是一個16位的字長(0xFFFF)；
至於寄存器的配置我們之后小節在解析，首先來了解一下標准庫是如何將GPIO映射到地址上的；
/*stm32f10x.h 1408-1414行聲明如下*/ #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； *把結構體的首地址映射到GPIO的首寄存器地址，就可以通過該結構體對硬件寄存器操作； *結構體的地址通過結構體指針來賦值對應上*/ #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都屬於APB2總線，使用的時候要使能APB2總線的時鍾源；*/ #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涉及的寄存器較多，復用功能和重映射功能都需要配置專門的AFIO寄存器，但是本節暫時沒有涉及；
本節主要介紹了通用GPIO口涉及到的7個寄存器，具體寄存器的說明和使用如下；
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，如下圖所示，一起用來控制該組GPIO port的16個引腳配置；
2.1.1 CRL和CRH寄存器復位值為0x4444_4444；CRL偏移地址：0x00，CRH偏移地址：0x04；配置信息封裝如下；
//定義了CRH和CRL寄存器需要的參數；以下聲明在stm32f10x_gpio.h的前200行； typedef struct { uint16_t GPIO_Pin; /*用16位bit的每一位分別表示一個引腳*/ GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; /*用2位bit來表示輸出模式的最大速度*/ GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode; /*CNF MODE,具體見結構體*/ }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的初始化代碼如下；
/*以下代碼位於stm32f10x_gpio.c中，配置相應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]為1，表示為輸出模式； { /*if(輸出模式)，將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]； } /*以下部分為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為幾，表示引腳幾； { pos = ((uint32_t)0x01) << pinpos; currentpin = (GPIO_InitStruct->GPIO_Pin) & pos; //currentpin:要么為當前pin值，要么為0; if (currentpin == pos) { pos = pinpos << 2; //pos:引腳對應的CRL配置位 pinmask = ((uint32_t)0x0F) << pos; //pinmask:引腳對應的CRL[3:0]置1 tmpreg &= ~pinmask; //temreg中對應引腳的[3:0]清0 tmpreg |= (currentmode << pos); //temreg中對應引腳的[3:0]配置成currentmode[3:0] //此處的if else應該是通過ODR來配置硬件，由中文參考手冊8.1.7原理圖推測可知 if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPD) //if(輸入連下拉電阻) { GPIOx->BRR = (((uint32_t)0x01) << pinpos); //通過配置ODR的16bit，對應pin的bit置0，連接下拉電阻； } else { if (GPIO_InitStruct->GPIO_Mode == GPIO_Mode_IPU)//if(輸入連上拉電阻) { GPIOx->BSRR = (((uint32_t)0x01) << pinpos); //通過配置ODR的16bit，對應pin的bit置1，連接上拉電阻； } } } } GPIOx->CRL = tmpreg; //把配置好對應pin腳的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 推挽輸出，開漏輸出，上拉輸入和下拉輸入的原理推薦參考安富萊文檔的解釋，以及 https://www.cnblogs.com/tkxja/p/8708732.html
2.2 LCKR端口配置鎖定寄存器：lock register
復位值為0x0000_0000；偏移地址：0x18；
用來鎖存對應端口的CRL，CRH寄存器的配置；修改完LCK[15:0]然后鎖定[LCKK]，對應的CRL,CRH配置將會持續到下次系統復位信號來臨；
2.3 IDR端口輸入數據寄存器，ODR端口輸出數據寄存器：input data register，output data register；
復位值為0x0000_0000；IDR偏移地址：0x08；ODR偏移地址：0x0C
對於輸入數據而言，每個APB2時鍾會采樣I/O腳上的數據存入數據寄存器中，對寄存器的讀取可以獲得輸入數據；
對於輸出數據而言，應該也是通過APB2時鍾控制，把數據放入ODR即可；
2.3.1 IDR寄存器的使用函數
/*以下代碼位於stm32f10x_gpio.c中
*1 讀取IDR寄存器某一位的值，即pin值；
*2 讀取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)); /*先讀取整個IDR寄存器，然后通過&來讀取bit,IDR寄存器的最小處理單位是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寄存器的使用函數
/*以下代碼位於stm32f10x_gpio.c中； *1 讀取ODR寄存器某一位的值；即讀取pin值； *2 讀取ODR寄存器的值；即讀取port值； *3 向ODR寄存器寫入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)); /*先讀取整個ODR寄存器，然后通過&來讀取bit,ODR寄存器的最小處理單位是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/復位寄存器，BRR端口復位寄存器：bit set/reset register，bit reset register；
復位值為0x0000_0000；BSRR偏移地址：0x10；BRR偏移地址：0x14；
對BSRR，BRR的操作，就是對該組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 設置pin腳相應的數值：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; } }
雖然BSRR和BRR都可以用來設置單獨bit位，但是它們也是通過16bit長度來設置的，不要被函數具有迷惑性的名字給欺騙；
3 GPIO的復用和重映射寄存器
3.1 GPIO的復用
復用功能具體見中文參考手冊8.1.11小節；
看起來只要把輸入輸出模式配置成相應的外設模式，就可以使用外設了；
看起來好像沒有區分通用GPIO模式和復用GPIO模式啊，而且有的引腳有兩三個復用功能的，感覺結構比較瑣碎；；
3.2 GPIO的重映射
重映射功能具體見<中文參考手冊>8.3和8.4小節；
8.3小節主要是列出了外設的重映射引腳；8.4小節是外設的重映射寄存器的配置；
3.1.1 外設的重映射功能需要通過AFIO_MAPR寄存器來映射到GPIO口；然后配置GPIO口復用該外設；這時候就可以使用該外設了；
3.1.2 芯片為GPIO的復用外設提供了16個可設置的中斷，對應16個引腳號；
AFIO_EXTICRx中斷寄存器配置端口號；EXTICR1配置引腳[3:0]的端口號，EXTICR4配置引腳[15:12]的端口號；
3.1.3 外設應該有外設自己的中斷函數的吧，這里為什么又為復用的外設提供了16個中斷呢？這些中斷對應哪些中斷處理函數呢？
3.3 位帶操作
另外標准庫還為GPIO口提供了位帶操作，主要就是有兩個區域地址塊的寄存器是可以直接以bit為單位進行設置；
相當於給GPIO開了個小灶方便某些不想使用標准庫的人可以直接設置寄存器，個人不太中意這個功能；
4 通用GPIO的示例代碼
配置GPIO端口，在寄存器層面來說：首先使能所在外設的時鍾源，然后配置完CRL和CRH后GPIO口就可以使用了；
如果GPIO pin 配置成了輸入引腳，則從IDR讀取數據即可；
如果GPIO pin 配置成了輸出引腳，輸出的信號可以直接寫入ODR寄存器，也可以通過BSRR和BRR來設置；
#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 小結
本文主要是結合通用GPIO口的寄存器，對標准庫中通用GPIO口的代碼進行了分析和概括；
然后提供了一個代碼示例；如果只是使用而不想理解標准庫原理，則直接使用接口函數即可，如代碼示例所示；
本文主要參考文檔為正點原子的<STM32F1開發指南_庫函數版本V3.3>，<STM32F1xxx中文參考手冊>的第8章；