STM32外設：通用輸入輸出 GPIO、EXIT

主要外設：

• GPIO：General Purpose I/O 一般用途IO
• EXIT：External Interrupt/Event Controller 外部中斷/事件控制器(STM32)

輔助外設：

• SYSCFG：System configuration controller系統配置控制器(STM32)
• NVIC：Nested Vectored Interrupt Controller嵌套向量中斷控制器(ARM)
• SCB：System Control Block系統控制塊(ARM)

IO引腳：

• 默認作為一般用途的引腳，引腳↔GPIO↔CPU
• 用代碼設為專用功能引腳，引腳↔GPIO↔片上外設的某個外部引腳(復用)（利用GPIO的輸入電路、輸出電路、增加少量控制單元）

GPIO中的基本電路

輸出電路

選擇輸出速度OSPEEDR→選擇推挽/開漏OTYPER→選擇上下拉電阻PUPDR→保護二極管→引腳

• 保護二極管：當輸入電壓過高或過低時，二極管導通，輸入電壓拉到VDD或GND，保護STM32 MCU
• 上下拉電阻 pull-up/pull-down：內部帶有很弱的上下拉電阻絕大多數情況不使用
• 輸出類型-推挽Push-Pull：絕大多數情況，可輸出VDD或GND
• 輸出類型-開漏Open Drain：很少情況，可輸出GND或浮空（輸出高電平需要外接電源和上拉電阻，用於輸出電平轉換、多個OD輸出並聯實現“線與”、I2C）
• 輸出速度：輸出驅動電路的響應速度，跟應用相匹配，速度配置越高，噪聲越大，功耗越大。

GPIO寄存器	作用	數量x位寬	值
OSPEEDR	輸出速度	16x2bit	0-低速2MHz、1-中速25MHz、2-快速50MHz、3-高速80MHz~100MHz
OTYPER	輸出類型	16x1bit	0-輸出推挽、1-輸出開漏
PUPDR	上下拉電阻	16x2bit	0-無(浮空)、1-上拉、2-下拉

輸入電路

TTL施密特觸發器←選擇上下拉電阻PUPDR←保護二極管←引腳

GPIO寄存器	作用	數量x位寬	值
PUPDR	上下拉電阻	16x2bit	0-無(浮空)、1-上拉、2-下拉

• TTL施密特觸發器：信號進行數字采樣

一、GPIO_Output：通用輸出模式

主要功能：CPU寫入BSRR或ODR寄存器，控制引腳輸出高低電平

數據通路：
CPU→...→[選擇置位/復位BSSR]→選擇輸出電平ODR→輸出電路→引腳GPIO_Output

GPIO寄存器	作用	數量x位寬	值
MODER	模式	16x2bit	0-輸入、1-通用輸出、2-復用功能、3-模擬
BSRR	置位/復位	16x2bit	BitReset：0-無操作、1-復位 BitSet：0-無操作、1-置位
ODR	輸出數據	16x1bit	0-低電平、1-高電平

User Label（可選）：用來給引腳起別名，提高代碼可讀性、移植性(更換引腳時只修改宏)，對GPIO端口和引腳定義宏

//在main.h中
#define XXX_GPIO_Port    GPIOx
#define XXX_Pin          GPIO_PIN_y

硬件設計

PA5外接高電平驅動方式的指示燈電路(驅動指示燈：高電平)

CubeMX的配置

1. 引腳分配Pinout View

• 搜索PA5 設置為GPIO_Output

2. 外設配置

• System Core-GPIO-引腳清單(單擊) → PA5配置 → 用戶標簽=LED2、(工作)模式=Output Push Pull、(初始)輸出電平=low、最大輸出(翻轉)速度=low、上下拉電阻=No

用戶代碼

//USER CODE3：后台程序(無限循環)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);//輸出高電平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);//輸出低電平
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_5);//輸出電平翻轉
HAL_Delay(1000);

二、GPIO_input：輸入模式(輪詢)

主要功能：CPU讀取IDR寄存器，讀取引腳電平

• 輪詢、CPU忙等、效率低
• 作為復位后的默認工作模式

數據通路：
CPU←...←APB外設總線←存儲輸入電平IDR←輸入電路←引腳GPIO_input

GPIO寄存器	作用	數量x位寬	值
MODER	模式	16x2bit	0-輸入、1-通用輸出、2-復用功能、3-模擬
IDR	輸入數據	16x1bit	0-低電平、1-高電平

硬件設計

PC13外接上拉式按鍵(按鍵控制：按下為低電平)

CubeMX的配置

1. 引腳分配Pinout View

• 搜索PC13 設置為GPIO_Input

2. 外設配置

• System Core-GPIO-引腳清單(單擊) → PC13配置 →用戶標簽=KEY1、(工作)模式=input mode、上下拉電阻=No

用戶代碼

//USER CODE3：后台程序(無限循環)
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_13)==GPIO_PIN_RESET){//按鍵按下
    HAL_Delay(10);//延遲去抖動
    if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_13)==GPIO_PIN_RESET){//按鍵仍然按下
     //TODO 執行按鍵按下后的操作
    }
}
//等待釋放：知道引腳變為高電平
while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_13)==GPIO_PIN_RESET);

三、GPIO_Exit：輸入模式(中斷)

主要功能：先將GPIO和EXIT建立連接，再由EXIT、NVIC的配置，決定CPU何時調用中斷回調函數(外部中斷External Interrupte)

數據通路：
中斷回調函數←...←CPU←...←NVIC←...←APB外設總線←掛起請求PR←中斷屏蔽IMR←[軟件觸發SWIER]←邊沿監測RTSR和FTSR←Exit輸入線(0~15號)←SYSCFG_EXTICR(引腳分組)←輸入電路←引腳GPIO_Exit

• GPIO在GPIO_Input模式下：接收外部輸入
• SYSCFG的EXTICR位：負責將GPIO的輸入電路和EXIT的輸入線連接
• EXIT：設置觸發條件(上升沿RTSR、下降沿FTSR、雙邊沿、軟件觸發SWIER)、中斷屏蔽IMR、保存中斷標記PR(是否觸發的狀態)、發送給NVIC
• PR寄存器的注意事項：軟件寫1清0，方便對其他bit寫0不變 （若寫0清0的話，會導致其他狀態位的掛起狀態也被清空）

GPIO寄存器	作用	數量x位寬	值
MODER	模式	16x2bit	0-輸入、1-通用輸出、2-復用功能、3-模擬

SYSCFG寄存器	作用	數量x位寬	值
EXTICR1~4	外部中斷配置	16x4bit	IO引腳→(9-1 MUX)→EXIT輸入線 0-PA口 1-PB口 2-PC口 3-PD口 4-PE口 5-PF口 6-PG口 7-PH口 8-PI口

EXIT寄存器	作用	數量x位寬	值
RTSR	上升沿觸發選擇(中斷觸發條件)	0-禁止、1-允許
FTSR	下降沿觸發器選擇(中斷觸發條件)	0-禁止、1-允許
SWIER	軟件中斷/事件(中斷觸發條件)	0-無操作、1-軟件觸發
IMR	輸入線的中斷請求(中斷屏蔽)	23x1	0-禁止、1-允許
PR	掛起請求(中斷標志位)	0-沒有觸發或有觸發且被CPU處理、1-有觸發且尚未被CPU處理(掛起狀態)、 軟件寫1清0或更改RTSR、FTSR時清0

16個輸入線→EXIT→NVIC(7個中斷通道)

EXIT 0~4分別具有獨立的中斷通道

• EXIT 0→EXTI0_IRQHandler
• EXIT 1→EXTI1_IRQHandler
• EXIT 2→EXTI2_IRQHandler
• EXIT 3→EXTI3_IRQHandler
• EXIT 4→EXTI4_IRQHandler

EXTI5~EXIT9共享同一個中斷通道

• EXIT 5~9→EXTI9_5_IRQHandler

EXTI10~EXIT15共享同一個中斷通道

• EXIT 10~15→EXTI15_10_IRQHandler

• NVIC：中斷優先級分組、中斷優先級設置、中斷使能（判定優先級、中斷屏蔽、決定是否發給CPU）

• CPU：並進行中斷響應、調用中斷函數

• CPU調用中斷服務程序：先判斷EXIT的PR是否有掛起中斷，若有掛起中斷、則先清中斷(EXIT的PR寫1清0)、再調用用戶自定義的中斷回調函數

• EXTIx_IRQHandler：重寫了匯編啟動文件中EXTIx_IRQHandler(在stm32f4xx_it.c中CubeMX自動生成)

• HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_Pin)：定義中斷回調函數的統一入口，包含EXIT中斷的不同外設相同處理的部分(在stm32f4xx_hal_gpio.c中HAL庫定義)

  • __HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_Pin)：獲取EXIT的PR狀態(在stm32f4xx_hal_gpio.h中HAL庫定義)
  • __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_Pin)：清中斷(EXIT的PR寫1清0)(在stm32f4xx_hal_gpio.h中HAL庫定義)

• HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin)：EXIT中斷的不同外設不同處理的部分，中斷回調函數的業務邏輯(在main.c中用戶自定義)

硬件設計

PC13外接上拉式按鍵(按鍵控制：按下為低電平)
在按下時產生下降沿，PC13的外部中斷功能→外部中斷線EXTI1

CubeMX的配置

1. 引腳分配Pinout View：搜索PC13 設置為GPIO_EXTI13
2. 外設配置

• System Core-GPIO-引腳清單(單擊) → PC13配置 → 用戶標簽=KEY1、(工作)模式=外部中斷模式 with 下降沿觸發、上下拉電阻=No
• System Core-NVIC-NVIC中斷表 → EXTI Line[15:10] interrupts → 勾選使能、搶占優先級=15,子優先級=0

用戶代碼

//USER CODE4：定義中斷回調函數
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { 
    if( GPIO_Pin == GPIO_PIN_13 ){ // 判斷外部中斷源
        //TODO 執行按鍵按下后的操作
    }
}

四、GPIO_Exit：輸入模式(事件)

主要功能：使用事件屏蔽，產生事件脈沖，發送給片上外設的某個外部引腳 (外部事件External Event)

數據通路：
片上外設的某個外部引腳←產生事件脈沖←事件屏蔽EMR←[軟件觸發SWIER]←邊沿監測RTSR和FTSR←Exit輸入線(0~15號)←SYSCFG_EXTICR(引腳分組)←輸入電路←引腳GPIO_Exit

EXIT寄存器	作用	數量x位寬	值
EMR	輸入線的事件請求(屏蔽)	23x1	0-禁止、1-允許

五、GPIO_Analog：模擬模式

主要功能：引腳作為模擬IO引腳、功率最低(ADC或DAC↔“導線”↔引腳)

數據通路：
ADC或DAC↔上下拉電阻(無)↔保護二極管↔引腳GPIO_Analog

GPIO寄存器	作用	數量x位寬	值
MODER	模式	16x2bit	0-輸入、1-通用輸出、2-復用功能、3-模擬

• 模擬IO引腳無須上下拉電阻

六、GPIO_AF：復用功能模式

主要功能：將引腳設為某個外設的專用功能引腳

數據通路：
片上外設的某個外部引腳↔16選1的復用器AF↔輸入電路/輸出電路↔引腳GPIO_AF

GPIO寄存器	作用	數量x位寬	值
MODER	模式	16x2bit	0-輸入、1-通用輸出、2-復用功能、3-模擬
AFR[2]	復用功能	16x4bit	引腳分配一個復用功能，連接到指定外設，作為(16選1的MUX)

16選1的復用器：負責將GPIO和外設的某個外部引腳連接

• 1根線端：GPIO引腳
• 16根線端：AF0為系統默認的GPIO功能、AF1~AF13作為其他外設的專用功能的數字IO引腳、AF15為EVENTOUT
• 選擇端：AFR中的4bit

七、HAL庫

GPIO_InitTypeDef

• GPIO_init->Pin：用於在寄存器內部定位bit
• GPIO_Init->Mode：是否為GPIO_input的中斷模式(SYSGFG：外部中斷映射配置、EXIT：中斷屏蔽、事件屏蔽、是否上升沿觸發、是否下降沿觸發)、GPIO模式(GPIO：工作模式、輸出模式)
• GPIO_Init->Speed 設置GPIO的輸出速度
• GPIO_Init->Pull 設置GPIO的上下拉電阻
• GPIO_Init->Alternate 設置GPIO的AFR

HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)：外設初始化函數

• 檢查參數
• 遍歷GPIO所有引腳：根據GPIO_init->Pin定位，是否進行配置
• 若GPIO工作模式為輸出模式或復用功能模式：根據GPIO_Init->Mode、Speed，設置GPIO的OSPEEDR、OTYPE
• 若GPIO工作模式非模擬模式：根據GPIO_Init->Pull,設置GPIO的PUPDR
• 若GPIO工作模式為復用模式：根據GPIO_Init->Alternate，設置GPIO的AFR
• 設置GPIO的MODER
• 若為GPIO_input的中斷模式：清理EXIT的IMR、EMR、RTSR、FTSR的配置、根據GPIO_Init->Mode，設置SYSGFG的EXITCR、設置EXIT的IMR、EMR、RTSR、FTSR