【stm32f407】GPIO原理以及跑马灯的应用
1. GPIO介绍
1）介绍：GPIO：(GeneralPurpose Input Output （通用输入/输出）简称为GPIO)
基本结构：
stm32f407VGT6这款单片机上共有PA‐PE共5×16共80个复用IO口，
每个通用I / O端口有4个32位配置寄存器（GPIOx_MODERGPIOx_OTYPER GPIOx_OSPEEDR GPIOx_PUPDR），两个32位数据寄存器（GPIOx_IDR和GPIOx_ODR），一个32位的置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR），32位锁定寄存器（GPIOx_LCKR）和两个32位的备用功能选择寄存器（GPIOx_AFRH GPIOx_AFRL），如图：
2）GPIO的工作模式：
2. GPIO的八种工作模式详解
浮空输入_IN_FLOATING
带上拉输入_IPU
带下拉输入_IPD
模拟输入_AIN
开漏输出_OUT_OD
推挽输出_OUT_PP
开漏复用输出_AF_OD
推挽复用输出_AF_PP
4输入 + 2输出 + 2复用输出，一共是8种模式，以下是八种模式的工作原理：
GPIO浮空输入_IN_FLOATING模式工作原理
以上截图就是浮空输入模式的原理图，
图中阴影的部分在浮空输入模式下是处于不工作状态的，尤其是下半部分的输出电路
实际上这时的输出电路与输入的端口处于隔离状态。
黄色的高亮部分显示了数据传输通道，
外部的电平信号通过左边编号1的I/O端口进入STM32内部
经过编号2的施密特触发器整形以后送入编号为3的“输入数据寄存器”
在“输入数据寄存器”的另一端(编号4)，CPU通过内部的数据总线可以随时读出I/O端口的电平变化的状态。
GPIO带上拉输入_IPU模式工作原理：
上图是STM32的GPIO带上拉输入模式的原理图。
与前面介绍的浮空输入模式相比，仅仅是在数据通道上面，接入了一个上拉电阻，
根据STM32的数据手册，这个上拉电阻阻值介于30K~50K欧姆。
同样，CPU可以随时在“输入数据寄存器”的另一端，通过内部的数据总线读出I/O端口的电平变化的状态。
GPIO带下拉输入_IPD模式工作原理：
对于输入下拉模式的输入，是在数据通道的下部，接入了一个下拉电阻。
根据STM32的数据手册，这个下拉电阻阻值也是介于30K~50K欧姆。
对于要加上拉或下拉电阻：
1.当作单片机作为输入时，假设我们直接在IO端口接一个按键到地（或电源）。
因为按键按，于不按管脚都是悬空的。单片机就很难检测按键是否按下。
所以人为的接一个上拉（或下拉）。以确定未按下的时候IO输入电平的状态
2.可以提高芯片的抗干扰能
3.当单片机的IO口作输出时，如果不接上拉电阻只能提供灌电流。无法输出电流驱动外接设备。这时也需要考虑上拉电阻。这样才可以使IO输出高电平
GPIO模拟输入_AIN模式工作原理：
如果把STM32配置为模拟输入模式时，工作原理就比较简单了，信号从左边编号为1的端口进
从右边编号为2的一端直接进入STM32单片机的AD模块。
细心的朋友可以看到数据通道中上拉、下拉电阻和施密特触发器，这时均处于关断的状态，
“输入数据寄存器”就不能反映IO端口上的电平变化的状态了
换句话说，也就是在模拟输入状态下，CPU不能通过“输入数据寄存器”读到IO端口变化的数据了
以上分析的是GPIO模块IO引脚的输入模式的工作原理，下面介绍一下GPIO输出模式的工作原理
GPIO开漏输出_OUT_OD模式工作原理
上图是GPIO开漏输出模式的工作原理图
当CPU在编号1端通过“位设置/清除寄存器”或“输出数据寄存器”写入数据后
该数据位将通过编号2的输出控制电路传送到编号4的I/O端口。
如果CPU写入的是逻辑“1 ”，则编号3的N-MOS管将处于关闭状态
此时I/O端口的电平将由外部的上拉电阻决定
如果CPU写入的是逻辑“0 ”，则编号3的N-MOS管将处于开启状态
此时I/O端口的电平被编号3的N-MOS管拉到了“地”的零电位。
在图中的上半部，施密特触发器处于开启状态
这意味着CPU可以在“输入数据寄存器”的另一端，随时可以监控I/O端口的状态
通过这个特性，还可以实现了虚拟的I/O端口双向通信：假如CPU输出逻辑“1 ”
由于编号3的N-MOS管处于关闭状态，I/O端口的电平将完全由外部电路决定
因此，CPU可以在“输入数据寄存器”读到外部电路的信号，而不是它自己输出的逻辑“1 ”
GPIO口的输出模式下，有3种输出速度可选(2MHz、10MHz和50MHz)
这个速度是指GPIO口驱动电路的响应速度，而不是输出信号的速度
输出信号的速度与程序有关（芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路
用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路）。
通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。
高频的驱动电路，噪声很高
当我们的项目不需要比较高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI性能。
当然如果我们的项目要求输出较高频率的信号,但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到比较失真的输出信号
GPIO推挽输出_OUT_PP模式工作原理
GPIO的推挽输出模式是在开漏输出模式的基础上，在“输出控制电路”之后，增加了一个P-MOS管
当CPU输出逻辑“1 ”时，编号3处的P-MOS管导通，而下方的N-MOS管截止，达到输出高电平的目的
当CPU输出逻辑“0 ”时，编号3处的P-MOS管截止，而下方的N-MOS管导通，达到输出低电平的目的
在这个模式下，CPU仍然可以从“输入数据寄存器”读到该IO端口电压变化的信号
GPIO开漏复用输出_AF_OD模式工作原理
GPIO的开漏复用输出模式与开漏输出模式的工作原理基本相同
不同的是编号为2的输入的源不同，它是和复用功能的输出端相连
此时的“输出数据寄存器”被输出通道给断开了。
从上面的这个图，我们还可以看到CPU同样可以从“输入数据寄存器”读取到外部IO端口变化的电平信号。
GPIO推挽复用输出_AF_PP模式工作原理
最后介绍一下GPIO推挽复用输出模式的工作原理
编号2“输出控制电路”输入是与复用功能的输出端相连
此时“输出数据寄存器”被从输出通道断开了，片上外设的输出信号直接与“输出控制电路”的输入端想连接。
我们将GPIO配置成复用输出功能后，假如相应的外设模块没有被激活，那么此时IO端口的输出将不确定。
其它部分原理与前面叙述的模式一样，包括对“输入数据寄存器”的读取方式也是一样的。跑马灯硬件
跑马灯接的是PD12,PD13,PD14,PD15 4个PIN脚
3. 跑马灯库函数编程
1) 需要的库函数文件：
头文件：stm32f4xx_gpio.h
源文件：stm32f4xx_gpio.c
2) 重要函数
1个初始化函数：
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef*GPIO_InitStruct);
2个读取输入电平函数：
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_tGPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
2个读取输出电平函数：
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
4个设置输出电平函数：
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitActionBitVal);
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);
3) GPIO_Init初始化样例
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOD, ENABLE);//使能GPIOF时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13;//LED0和LED1对应IO口
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOD12,13
4) 读取输入电平函数
2个读取输入电平函数：
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_tGPIO_Pin);
作用：读取某个GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。
例如：
GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);//读取GPIOA.5的输入电平
uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
作用：读取某组GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。
例如：
GPIO_ReadInputData(GPIOA);//读取GPIOA组中所有io口输入电平
5) 读取输出电平函数
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit (GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin);
作用：读取某个GPIO的输出电平。实际操作的是GPIO_ODR寄存器。
例如：
GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);//读取GPIOA.5的输出电平
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
作用：读取某组GPIO的输出电平。实际操作的是GPIO_ODR寄存器。
例如：
GPIO_ReadOutputData(GPIOA);//读取GPIOA组中所有io口输出电平
6) 4个设置输出电平函数
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
作用：设置某个IO口输出为高电平（1）。实际操作BSRRL寄存器
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_tGPIO_Pin);
作用：设置某个IO口输出为低电平（0）。实际操作的BSRRH寄存器。
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin,BitAction BitVal);
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);
这两个函数不常用，也是用来设置IO口输出电平。
以上就是整个GPIO库函数的使用，总结下GPIO库函数的步骤：
1）使能IO口时钟。调用函数RCC_AHB1PeriphClockCmd();
不同的外设调用的时钟使能函数可能不一样
如图：GPIO是在AHB1总线上
2）初始化IO口模式。调用函数GPIO_Init();
3） 3）操作IO口，输出高低电平。
GPIO_SetBits();
GPIO_ResetBits();
源码：
Led.h
#ifndef_LED_H_H_H
#define_LED_H_H_H
#include"stm32f4xx_gpio.h"
#include"stm32f4xx_rcc.h"
#defineLED_GREEN GPIO_Pin_12
#defineLED_ORANGE GPIO_Pin_13
#defineLED_RED GPIO_Pin_14
#defineLED_BLUE GPIO_Pin_15
#defineLED_ON 1
#defineLED_OFF 0
voidLED_Init(void);
voidLED_Operate(uint16_t GPIO_Pin,int32_t operate);
#endifLed.c
#include"led.h"
voidLED_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOD,ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12 |GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed =GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStruct);
}
voidLED_Operate(uint16_t GPIO_Pin,int32_t operate)
{
if(LED_ON == operate)
{
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin);
}
else if(LED_OFF == operate)
{
GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin);
}
}
Main.c
#include"led.h"
voidUser_Delay(__IO uint32_t nCount)
{
while(nCount--)
{
}
}
intmain(void)
{
LED_Init();
while(1)
{
LED_Operate(LED_GREEN,LED_ON);
User_Delay(0x3FFFFF);
LED_Operate(LED_GREEN,LED_OFF);
LED_Operate(LED_ORANGE,LED_ON);
User_Delay(0x3FFFFF);
LED_Operate(LED_ORANGE,LED_OFF);
LED_Operate(LED_RED,LED_ON);
User_Delay(0x3FFFFF);
LED_Operate(LED_RED,LED_OFF);
LED_Operate(LED_BLUE,LED_ON);
User_Delay(0x3FFFFF);
LED_Operate(LED_BLUE,LED_OFF);
User_Delay(0x3FFFFF);
}
}