STM32開發--GPIO詳解

 一.GPIO的寄存器

32位配置寄存器：GPIOx_CRL，GPIOx_CRH

32位數據寄存器：GPIOx_IDR，GPIOx_ODR

32位置位/復位寄存器：GPIOx_BSRR

16位復位寄存器：GPIOx_BRR

32位鎖定寄存器：GPIOx_LCKR

 

 

 

 

 

GPIOx_CRL :端口配置低寄存器 （控制P0--P7端口）

一個IO位占4個位（4*8=32）P0--P7剛好32位，例如：P0端口：0-1控制輸入模式或者輸出模式及輸出速度，2-3控制輸入模式或者輸出模式的具體工作方式

 

GPIOx_CRH:端口配置高寄存器 （控制P8--P15端口）

一個IO位占4個位（4*8=32）P8--P15剛好32位，例如：P8端口：0-1控制輸入模式或者輸出模式及輸出速度，2-3控制輸入模式或者輸出模式的具體工作方式

GPIOx_IDR:端口輸入寄存器 

一個位控制一個IO口，0--15對應P0--P15

(注意：IDR寄存器低16位，每個位控制該組IO的一個IO口。對應的是IO口的輸入電平）

 

GPIOx_ODR:端口輸出寄存器

一個位控制一個IO口，0--15對應P0--P15

（注意：ODR寄存器跟IDR寄存器相反，是控制IO口輸出。低16位每個位控制一個IO口的輸出電平的高低。）

輸入模式的上下拉輸入到底是上拉還是下拉由端口輸出寄存器ODR決定。在輸入模式時，可設置ODR寄存器的第一位來決定上拉還是下拉

 

GPIOx_BSRR:端口位設置/清除寄存器

低16位（0--15）是置位，當對應位為1時對應端口置1，對應位為0時對應端口置不受影響

高16位（16--31）是復位，當對應位為1時對應端口置0，對應位為0時對應端口置不受影響

高低位同時作用時，則只有低16位起作用！

GPIOx_BRR :端口位清除寄存器

低16位對應16個端口，作用和GPIOx_BSRR的高16位一樣，都是復位清除功能

低16位（0--15）是復位，當對應位為1時對應端口置0，對應位為0時對應端口置不受影響

 

 

 GPIOx_LCKR:端口配置鎖存寄存器

 

 

 

 

二.GPIO的工作模式

 

根據數據手冊中列出的每個I/O端口的特定硬件特征， GPIO端口的每個位可以由軟件分別配置成多種模式。

4種輸入模式： 輸入浮空     

                        輸入上拉         

                        輸入下拉       

                        模擬輸入

4種輸出模式： 開漏輸出   

                        開漏復用功能   

                        推挽式輸出   

                        推挽式復用功能

 

1.浮空輸入GPIO_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做按鍵識別，IO狀態不確定，完全由外部輸入決定

施密特觸發器是開啟的，IO口的狀態可以直接送到輸入寄存器中，CPU可以直接讀取輸入寄存器。

電平進入后，不經過上下拉，在觸發施密特觸發器后，進入輸入數據寄存器，最后由CPU讀取。
浮空輸入狀態下，IO的電平狀態是不確定的，完全由外部輸入決定（輸入達到條件就觸發），如果在該引腳懸空的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

       

 

2.輸入上拉GPIO_IPU——IO內部上拉電阻輸入

 與前面浮空輸入模式相比，僅僅在數據通道的上部，接入一個上拉電阻，根據STM32的數據手冊，這個上拉電阻阻值介於30K~50K。同樣的，CPU可以隨時在輸入數據寄存器的另一端，讀取IO端口的電平狀態。

原本需要低電平觸發，有上拉電阻存在，使得端口為高電平，達到抗干擾作用，只接受低電平！

         

 

3.輸入下拉GPIO_IPD—— IO內部下拉電阻輸入

 與前面浮空輸入模式相比，僅僅在數據通道的上部，接入一個下拉電阻，根據STM32的數據手冊，這個下拉電阻阻值介於30K~50K。同樣的，CPU可以隨時在輸入數據寄存器的另一端，讀取IO端口的電平狀態。

原本需要高電平觸發，有下拉電阻存在，使得端口為低電平，達到抗干擾作用，只接受高電平！

         

 

4.模擬輸入GPIO_AIN ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電

施密特觸發器是關閉的，信號直接到ADC輸入；這里我們能看到所有的上拉、下拉電阻和施密特觸發器，均處於斷開狀態，因此輸入數據寄存器將不能反映端口上的電平狀態，也就是說模擬輸入模式下CPU不能在數據寄存器上讀到有效的數據

         

 

 

 

1.開漏輸出GPIO_OUT_OD ----開漏模式時，只有 N-MOS 管工作，輸出數 據 寄 存 器 可 控 制 I/O 輸 出 高 阻 態 或 低 電 平 。

      當CPU在編號1端通過“位設置/清楚寄存器”或“輸出數據寄存器”寫入數據后，該數據位通過編號2的輸出控制電路傳送到編號4的IO端口。 如果CPU寫入的是邏輯1，則編號3的N-MOS管將處於關閉狀態，此時IO端口的電平將由外部的上拉電阻決定;如果CPU寫入的是邏輯0，則編號3的N-MOS管將處於開啟狀態，此時IO端口的電平被編號3的N-MOS管拉到了VSS的零電位。

      在上圖的上半部，施密特觸發器處於開啟狀態，這意味着CPU可以在“輸入數據寄存器”的另一端，隨時監控IO端口的狀態；通過這個特性還實現了虛擬的IO端口雙向通信只要CPU輸出邏輯1，由於編號3的N-MOS管處於關閉狀態，IO端口的電平將完全由外部電路決定，因此，CPU可以在“輸入數據寄存器”讀到外部電路的信號，而不是它自己輸出的邏輯1。

       GPIO口的輸出模式下，有3種輸出速度可選：2MHz、10MHz和50MHz。這個速度是指GPIO口驅動電路的響應速度而不是輸出信號的速度，輸出信號的速度與程序有關（芯片內部在IO口的輸出部分安排了多個響應速度不同的輸出驅動電路，用戶可以根據自己的需要選擇合適的驅動電路）。通過選擇速度來選擇不同的輸出驅動模塊，達到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。高頻的驅動電路，噪聲也高，當不需要高的輸出頻率時，請選用低頻驅動電路，這樣非常有利於提高系統的EMI性能。當然如果要輸出較高的頻率的信號，但卻選用了較低頻率的驅動模塊，很可能會得到失真的輸出信號。

         

2.推挽式輸出GPIO_OUT_PP ——IO輸出0-接GND， IO輸出1 -接VCC，讀輸入值是未知的

在輸出模式中，推挽模式時雙 MOS 管以推挽方式工作，輸出數據寄存器GPIOx_ODR 可控制 I/O 輸出高低電平。

 

3.推挽式復用功能GPIO_AF_PP ——片內外設功能（I2C的SCL,SDA）

復用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在推挽模式，但是輸出信號源於其它外設，輸出數據寄存器 GPIOx_ODR 無效；輸入可用，通過輸入數據寄存器可獲取 I/O 實際狀態，但一 般直接用外設的寄存器來獲取該 數據信號。 

 

 

4.開漏復用功能GPIO_AF_OD——片內外設功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）

復用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在開漏模式， 但是輸出信號源於其它外設，輸出數據寄存器 GPIOx_ODR 無效；輸入可用，通 過輸入數據寄存器可獲取 I/O 實際狀態，但 一 般直接用外設的寄存器來獲取該 數據信號。 

 

GPIO整理后可分為三類：

1. 輸入模式(模擬/浮空/上拉/下拉)：在輸入模式時，施密特觸發器打開，輸出被禁止，可通過輸入數據寄存器 GPIOx_IDR讀取 I/O 狀態。其中輸入模式，可設置為上拉、下拉、浮空和模擬輸入四種。上拉和下拉輸入很好理解，默認的電平由上拉或者下拉決定。浮空輸入的電平是不確定的，完全由外部的輸入決定，一般接按鍵的時候用的是浮空輸入。模擬輸入則用於 ADC 采集。

2. 輸出模式(推挽/開漏)：在輸出模式中，推挽模式時雙 MOS 管以輪流方式工作，輸出數據寄存器GPIOx_ODR可控制 I/O 輸出高低電平。開漏模式時，只有 N-MOS 管工作，輸出數據寄存器可控制I/O輸出高阻態或低電平。輸出速度可配置，有 2MHz\10MHz\50MHz 的選項。此處的輸出速度即 I/O 支持的高低電平狀態最高切換頻率，支持的頻率越高，功耗越大，如果功耗要求不嚴格，把速度設置成最大即可。
在輸出模式時施密特觸發器是打開的，即輸入可用，通過輸入數據寄存器 GPIOx_IDR可讀取 I/O 的實際狀態。

3.復用功能(推挽/開漏)：復用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在開漏及推挽模式，但是輸出信號源於其它外設，輸出數據寄存器 GPIOx_ODR 無效；輸入可用，通過輸入數據寄存器可獲取 I/O 實際狀態，但一般直接用外設的寄存器來獲取該數據信號。

 

應用場合

 ①上拉輸入、下拉輸入可以用來檢測外部信號，例如按鍵等。

 ②浮空輸入模式，由於輸入阻抗較大，一般把這種模式用於標准通信協議的I2C、USART的接收端。

 ③普通推挽輸出模式一般應用在輸出電平為0和3.3V的場合<。而普通開漏輸出模式一般應用在電平不匹配的場合，如需要輸出5V的高電平，就需要在外部一個上拉電阻。電源為5V，把GPIO設置為開漏模式，當輸出高阻態時，由上拉電阻和電源向外輸出5V電平。

④對於相應的復用模式，復用輸出來源片上外設，則是根據GPIO的復用功能來選擇，如GPIO的引腳用作串口的輸出（USART/SPI/CAN），則使用復用推挽輸出模式。如果用在I2C、SMBUS這些需要線與功能的復用場合，就使用復用開漏模式。

 ⑤在使用任何一種開漏模式時，都需要接上拉電阻。

 

每個I/O端口位可以自由編程，然而I/0端口寄存器必須按32位字被訪問(不允許半字或字節訪問)。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允許對任何GPIO寄存器的讀/更改的獨立訪問；這樣，在讀和更改訪問之間產生IRQ時不會發生危險。下圖給出了一個I/O端口位的基本結構。

 

通常有5種方式使用某個引腳功能，它們的配置方式如下：
      1、作為普通GPIO輸入：根據需要配置該引腳為浮空輸入、帶弱上拉輸入或帶弱下拉輸入，同時不要使能該引腳對應的所有復用功能模塊。
      2、作為普通GPIO輸出：根據需要配置該引腳為推挽輸出或開漏輸出，同時不要使能該引腳對應的所有復用功能模塊。
      3、作為普通模擬輸入：配置該引腳為模擬輸入模式，同時不要使能該引腳對應的所有復用功能模塊。
      4、作為內置外設的輸入：根據需要配置該引腳為浮空輸入、帶弱上拉輸入或帶弱下拉輸入，同時使能該引腳對應的某個復用功能模塊。
      5、作為內置外設的輸出：根據需要配置該引腳為復用推挽輸出或復用開漏輸出，同時使能該引腳對應的所有復用功能模塊。

 

 

 

三.GPIO的常用函數

1.初始化函數

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);        //初始化（端口引腳，工作模式，傳輸速度）

//初始化PB5為輸出口.並使能這個端口的時鍾            
//LED IO初始化
void LED_Init(void)
{
 
 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
     
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);  //使能PB端口時鍾
    
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;              //LED0-->PB.5 端口配置
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;       //推挽輸出
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;      //IO口速度為50MHz
 GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                 //根據設定參數初始化GPIOB.5
 GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);                        //PB.5 輸出高

}
 

 

 

 

2.讀取輸入電平函數

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);       //讀取某個位的輸入電平（GPIOx,GPIO_Pin)

GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1);      //讀取PA1的輸入電平

uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);                                         //讀取某個端口16位的輸入數據（GPIOx）

GPIO_ReadInputData(GPIOA);                    //讀取PA端口16位的輸入數據

3.讀取輸出電平函數

uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);     //讀取某個位的輸出電平（GPIOx,GPIO_Pin)

GPIO_ReadOutputDataBit( GPIOA, GPIO_Pin_1);     //讀取PA1的輸出電平

uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);                                        //讀取某個端口16位的輸出數據（GPIOx）

GPIO_ReadOutputData(GPIOA);                    //讀取PA端口16位的輸出數據

 

4.設置輸出電平函數

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);                               //置位（GPIOx,GPIO_Pin)

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);                           //復位（GPIOx,GPIO_Pin)

void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);    //對某個位寫（GPIOx,GPIO_Pin,0或1）

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);                                       //對某個端口16位寫（GPIOx,0或1）