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第18章 STM32H7的GPIO应用之跑马灯
本章教程为大家介绍STM32H7的GPIO应用之跑马灯，跑马灯作为经典的测试例程，可以让大家对STM32H7应用有个简单的整体认识。
18.1 初学者重要提示
18.2 跑马灯硬件设计
18.3 跑马灯软件驱动设计
18.4 跑马灯板级支持包（bsp_led.c）
18.5 实验例程设计框架
18.6 跑马灯驱动移植和使用
18.7 实验例程说明（MDK）
18.8 实验例程说明（IAR）
18.9 总结
18.1 初学者重要提示
- 学习本章节前，务必保证已经学习了第15，16和17章。
- 虽然是跑马灯的初级例程，但有必要掌握程序的基本设计框架，后面的例子都是建立在这个框架的基础上。
- LED不是用CPU的IO直接驱动，而是由74HC574驱动的，74HC574是一个8路并口缓冲器，挂在FMC总线上，实现IO扩展。也许初学者会问为什么要做IO扩展，不是已经用了240脚的STM32H743XIH6吗？因为开发板使用了32位SDRAM和RGB888硬件接口，消耗IO巨大，所以必须得扩展了。
- 对于初学者来说，仅需掌握LED驱动的实现方法和对应的API调用即可，需要深入的理解IO扩展部分，会在后面的第48章节进行详细讲解。
- FMC总线扩展32路高速IO理解成GPIO的ODR寄存器就很简单了，其实就是一个东西。
- FMC扩展IO是对地址0x60001000的32bit数据空间的0和1的操作。GPIOA的ODR寄存器是对地址 0x40000000 + 0x18020000 + 0x14 空间的操作。但只能操作16个引脚。
使用总线的优势就在这里了，相当于在GPIOA到GPIOK的基础上，又扩展出GPIOL和GPIOM。
#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000) #define D3_AHB1PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x18020000) #define GPIOA_BASE (D3_AHB1PERIPH_BASE + 0x0000) #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE) typedef struct { __IO uint32_t MODER; /*!< GPIO port mode register, Address offset: 0x00 */ __IO uint32_t OTYPER; /*!< GPIO port output type register, Address offset: 0x04 */ __IO uint32_t OSPEEDR; /*!< GPIO port output speed register, Address offset: 0x08 */ __IO uint32_t PUPDR; /*!< GPIO port pull-up/pull-down register, Address offset: 0x0C */ __IO uint32_t IDR; /*!< GPIO port input data register, Address offset: 0x10 */ __IO uint32_t ODR; /*!< GPIO port output data register, Address offset: 0x14 */ __IO uint16_t BSRRL; /*!< GPIO port bit set/reset low register, Address offset: 0x18 */ __IO uint16_t BSRRH; /*!< GPIO port bit set/reset high register, Address offset: 0x1A */ __IO uint32_t LCKR; /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C */ __IO uint32_t AFR[2]; /*!< GPIO alternate function registers, Address offset: 0x20-0x24 */ } GPIO_TypeDef;
18.2 跑马灯硬件设计
跑马灯的硬件设计如下：
通过这个硬件设计，有如下四点需要学习：
18.2.1 灌电流驱动方式
关于拉电流、灌电流和相关的电气特性，在第15章的15.4小节做了专门的讲解。对于STM32H7来说，使用拉电流和灌电流驱动LED都是可以的，因为拉电流和灌电流时，STM32H7总的拉电流和灌电流都是不可超过140mA，单个引脚最大不可超过20mA。
开发板这里是采用的灌电流方式。
18.2.2 LED的压降和驱动电流
这种采用的是灌电流方式，而流经LED的电流大小是多少呢？ 这里需要先补充一个基础的知识点。
直插超亮发光二极管压降，主要有三种颜色，然而三种发光二极管的压降都不相同，具体压降参考值如下：
- 红色发光二极管的压降为2.0V-2.2V。
- 黄色发光二极管的压降为1.8V-2.0V。
- 绿色发光二极管的压降为3.0V-3.2V。
- 正常发光时的额定电流约为20mA。
贴片LED压降：
- 红色的压降为1.82-1.88V，电流5-8mA。
- 绿色的压降为1.75-1.82V，电流3-5mA。
- 橙色的压降为1.7-1.8V，电流3-5mA。
- 蓝色的压降为3.1-3.3V，电流8-10mA。
- 白色的压降为3-3.2V，电流10-15mA。
实际测试开发板红色贴片LED的压降的确是1.8V左右，那么流过LED的电流就是
（3.3 – 1.8）/ 1K = 1.4mA
在不考虑二极管本身电阻的情况下，流过LED的电流就是1.4mA。
18.2.3 总线扩展
在教程第48章节详细讲解了这个问题，对于初学者来说，可以先不用看，等后面学习了FMC总线后再去看，就容易掌握多了。
18.2.4 贴片LED的正负极区分
仔细查看开发板版上面所使用的贴片LED，会发现一端有绿点，有绿点的这端是负极，而另一端就是正级了。
18.3 跑马灯软件驱动设计
跑马灯的软件驱动实现比较简单，主要是IO初始化，LED亮，LED灭，LED翻转。对应的驱动文件也是实现了这几个功能，没有特别的技巧，所以大家看源代码也比较省事。
18.4 跑马灯板级支持包（bsp_led.c）
LED驱动文件bsp_led.c主要实现了如下几个API：
- bsp_InitLed
- bsp_LedOn
- bsp_LedOff
- bsp_LedToggle
- bsp_IsLedOn
下面将这几个API逐一进行说明。
18.4.1 函数bsp_InitLed
函数原型：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_InitLed * 功能说明: 配置LED指示灯相关的GPIO, 该函数被 bsp_Init() 调用。 * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_InitLed(void) { bsp_LedOff(1); bsp_LedOff(2); bsp_LedOff(3); bsp_LedOff(4); }
函数描述：
此函数主要用于LED初始化。由于将GPIO设置为输出时，GPIO输出寄存器的值缺省是0，因此会驱动LED点亮，因此在改变GPIO为输出前，先关闭LED指示灯。
注意事项：
- 大家会有疑惑，为什么这里没有初始化GPIO。这是因为V7开发板是由74HC574驱动的，不是用CPU的IO直接驱动，74HC574是一个8路并口缓冲器，挂在FMC总线上，实现IO扩展。
- 通过FMC总线扩展出的IO来驱动，不是GPIO直接驱动。
- 调用此函数前，要优先调用函数bsp_InitExtIO()，此函数用于初始化FMC扩展接口，关于这方面的知识在48章节专门做了讲解
使用举例：
调用此函数前，务必优先调用函数bsp_InitExtIO()。这里底层驱动初始化一般都是在bsp.c文件的函数bsp_Init里面调用。
18.4.2 函数bsp_LedOn
函数原型：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_LedOn * 功能说明: 点亮指定的LED指示灯。 * 形 参: _no : 指示灯序号，范围 1 - 4 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_LedOn(uint8_t _no) { if (_no == 1) { HC574_SetPin(LED1, 0); } else if (_no == 2) { HC574_SetPin(LED2, 0); } else if (_no == 3) { HC574_SetPin(LED3, 0); } else if (_no == 4) { HC574_SetPin(LED4, 0); } }
函数描述：
此函数主要用于点亮LED。
函数参数：
- 第1个参数用于指定点亮那个LED，范围1-4。
使用举例：
此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。另外使用前记得先调用函数bsp_InitExtIO()和bsp_InitLed。
18.4.3 函数bsp_LedOff
函数原型：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_LedOff * 功能说明: 熄灭指定的LED指示灯。 * 形 参: _no 指示灯序号，范围 1 - 4 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_LedOff(uint8_t _no) { if (_no == 1) { HC574_SetPin(LED1, 1); } else if (_no == 2) { HC574_SetPin(LED2, 1); } else if (_no == 3) { HC574_SetPin(LED3, 1); } else if (_no == 4) { HC574_SetPin(LED4, 1); } }
函数描述：
此函数主要用于熄灭LED。
函数参数：
- 第1个参数用于指定熄灭那个LED，范围1-4。
使用举例：
此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。另外使用前记得先调用函数bsp_InitExtIO()和bsp_InitLed。
18.4.4 函数bsp_LedToggle
函数原型：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_LedToggle * 功能说明: 翻转指定的LED指示灯。 * 形 参: _no 指示灯序号，范围 1 - 4 * 返 回 值: 按键代码 ********************************************************************************************************* */ void bsp_LedToggle(uint8_t _no) { uint32_t pin; if (_no == 1) { pin = LED1; } else if (_no == 2) { pin = LED2; } else if (_no == 3) { pin = LED3; } else if (_no == 4) { pin = LED4; } else { return; } if (HC574_GetPin(pin)) { HC574_SetPin(pin, 0); } else { HC574_SetPin(pin, 1); } }
函数描述：
此函数主要用于翻转LED。
函数参数：
- 第1个参数用于指定翻转那个LED，范围1-4。
使用举例：
此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。另外使用前记得先调用函数bsp_InitExtIO()和bsp_InitLed。
18.4.5 函数bsp_IsLedOn
函数原型：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_IsLedOn * 功能说明: 判断LED指示灯是否已经点亮。 * 形 参: _no 指示灯序号，范围 1 - 4 * 返 回 值: 1表示已经点亮，0表示未点亮 ********************************************************************************************************* */ uint8_t bsp_IsLedOn(uint8_t _no) { uint32_t pin; if (_no == 1) { pin = LED1; } else if (_no == 2) { pin = LED2; } else if (_no == 3) { pin = LED3; } else if (_no == 4) { pin = LED4; } else { return 0; } if (HC574_GetPin(pin)) { return 0; /* 灭 */ } else { return 1; /* 亮 */ } }
函数描述：
此函数主要用于获取LED亮灭状态。
函数参数：
- 第1个参数用于指定获取那个LED的亮灭状态，范围1-4。
使用举例：
此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。另外使用前记得先调用函数bsp_InitExtIO()和bsp_InitLed。
18.5 跑马灯驱动移植和使用
跑马灯控制是基于FMC扩展IO实现的，所以跑马灯的移植需要看第48章的移植方式。
18.6 实验例程设计框架
通过程序设计框架，让大家先对配套例程有一个全面的认识，然后再理解细节，本次实验例程的设计框架如下：
第1阶段，上电启动阶段：
这部分在第14章进行了详细说明。
第2阶段，进入main函数：
- 第1部分，硬件初始化，主要是MPU，Cache，HAL库，系统时钟，滴答定时器和LED。
- 第2部分，应用程序设计部分，实现了一个简易的跑马灯效果。
18.7 实验例程说明（MDK）
配套例子：
V7-001_跑马灯
实验目的：
- 学习H7平台的跑马灯实现。
实验内容：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED1和LED2。
- 再启动一个自动重装软件定时器，每500ms翻转一次LED3和LED4。
上电后串口打印的信息：
波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1
程序设计：
系统栈大小分配：
RAM空间用的DTCM：
硬件外设初始化
硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_Init * 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次 * 形 参：无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_Init(void) { /* 配置MPU */ MPU_Config(); /* 使能L1 Cache */ CPU_CACHE_Enable(); /* STM32H7xx HAL 库初始化，此时系统用的还是H7自带的64MHz，HSI时钟: - 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。 - 设置NVIV优先级分组为4。 */ HAL_Init(); /* 配置系统时钟到400MHz - 切换使用HSE。 - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。 */ SystemClock_Config(); /* Event Recorder： - 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。 - 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V7开发板用户手册第xx章 */ #if Enable_EventRecorder == 1 /* 初始化EventRecorder并开启 */ EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U); EventRecorderStart(); #endif bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */ bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */ bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */ bsp_InitExtIO(); /* 初始化FMC总线74HC574扩展IO. 必须在 bsp_InitLed()前执行 */ bsp_InitLed(); /* 初始化LED */ }
MPU配置和Cache配置：
数据Cache和指令Cache都开启。配置了AXI SRAM区（本例子未用到AXI SRAM）和FMC的扩展IO区。
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: MPU_Config * 功能说明: 配置MPU * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void MPU_Config( void ) { MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct; /* 禁止 MPU */ HAL_MPU_Disable(); /* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate，Write allocate */ MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE; MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000; MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512KB; MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS; MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE; MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE; MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE; MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0; MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL1; MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00; MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct); /* 配置FMC扩展IO的MPU属性为Device或者Strongly Ordered */ MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE; MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x60000000; MPU_InitStruct.Size = ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB; MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS; MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE; MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE; MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE; MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1; MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0; MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00; MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct); /*使能 MPU */ HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT); } /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: CPU_CACHE_Enable * 功能说明: 使能L1 Cache * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void CPU_CACHE_Enable(void) { /* 使能 I-Cache */ SCB_EnableICache(); /* 使能 D-Cache */ SCB_EnableDCache(); }
主功能：
主功能的实现主要分为两部分：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED1和LED2。
- 再启动一个自动重装软件定时器，每500ms翻转一次LED3和LED4。
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: main * 功能说明: c程序入口 * 形 参: 无 * 返 回 值: 错误代码(无需处理) ********************************************************************************************************* */ int main(void) { bsp_Init(); /* 硬件初始化 */ PrintfLogo(); /* 打印例程名称和版本等信息 */ PrintfHelp(); /* 打印操作提示 */ /* 先做个LED1的亮灭显示 */ bsp_LedOn(1); bsp_DelayMS(100); bsp_LedOff(1); bsp_DelayMS(100); bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */ bsp_StartAutoTimer(1, 500); /* 启动1个500ms的自动重装的定时器 */ /* 进入主程序循环体 */ while (1) { bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */ /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(0)) { /* 每隔100ms 进来一次 */ bsp_LedToggle(1); } /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(1)) { /* 每隔500ms 进来一次 */ bsp_LedToggle(2); bsp_LedToggle(3); bsp_LedToggle(4); } } }
18.8 实验例程说明（IAR）
配套例子：
V7-001_跑马灯
实验目的：
- 学习H7平台的跑马灯实现。
实验内容：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED1和LED2。
- 再启动一个自动重装软件定时器，每500ms翻转一次LED3和LED4。
上电后串口打印的信息：
波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1
程序设计：
系统栈大小分配：
RAM空间用的DTCM：
硬件外设初始化
硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: bsp_Init * 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次 * 形 参：无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ void bsp_Init(void) { /* 配置MPU */ MPU_Config(); /* 使能L1 Cache */ CPU_CACHE_Enable(); /* STM32H7xx HAL 库初始化，此时系统用的还是H7自带的64MHz，HSI时钟: - 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。 - 设置NVIV优先级分组为4。 */ HAL_Init(); /* 配置系统时钟到400MHz - 切换使用HSE。 - 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。 */ SystemClock_Config(); /* Event Recorder： - 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。 - 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V7开发板用户手册第xx章 */ #if Enable_EventRecorder == 1 /* 初始化EventRecorder并开启 */ EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U); EventRecorderStart(); #endif bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */ bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */ bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */ bsp_InitExtIO(); /* 初始化FMC总线74HC574扩展IO. 必须在 bsp_InitLed()前执行 */ bsp_InitLed(); /* 初始化LED */ }
MPU配置和Cache配置：
数据Cache和指令Cache都开启。配置了AXI SRAM区（本例子未用到AXI SRAM）和FMC的扩展IO区。
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: MPU_Config * 功能说明: 配置MPU * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void MPU_Config( void ) { MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct; /* 禁止 MPU */ HAL_MPU_Disable(); /* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate，Write allocate */ MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE; MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000; MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512KB; MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS; MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE; MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE; MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE; MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0; MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL1; MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00; MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct); /* 配置FMC扩展IO的MPU属性为Device或者Strongly Ordered */ MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE; MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x60000000; MPU_InitStruct.Size = ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB; MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS; MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE; MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE; MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE; MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1; MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0; MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00; MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE; HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct); /*使能 MPU */ HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT); } /* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: CPU_CACHE_Enable * 功能说明: 使能L1 Cache * 形 参: 无 * 返 回 值: 无 ********************************************************************************************************* */ static void CPU_CACHE_Enable(void) { /* 使能 I-Cache */ SCB_EnableICache(); /* 使能 D-Cache */ SCB_EnableDCache(); }
主功能：
主功能的实现主要分为两部分：
- 启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED1和LED2。
- 再启动一个自动重装软件定时器，每500ms翻转一次LED3和LED4。
/* ********************************************************************************************************* * 函 数 名: main * 功能说明: c程序入口 * 形 参: 无 * 返 回 值: 错误代码(无需处理) ********************************************************************************************************* */ int main(void) { bsp_Init(); /* 硬件初始化 */ PrintfLogo(); /* 打印例程名称和版本等信息 */ PrintfHelp(); /* 打印操作提示 */ /* 先做个LED1的亮灭显示 */ bsp_LedOn(1); bsp_DelayMS(100); bsp_LedOff(1); bsp_DelayMS(100); bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */ bsp_StartAutoTimer(1, 500); /* 启动1个500ms的自动重装的定时器 */ /* 进入主程序循环体 */ while (1) { bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */ /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(0)) { /* 每隔100ms 进来一次 */ bsp_LedToggle(1); } /* 判断定时器超时时间 */ if (bsp_CheckTimer(1)) { /* 每隔500ms 进来一次 */ bsp_LedToggle(2); bsp_LedToggle(3); bsp_LedToggle(4); } } }
18.9 总结
虽然是跑马灯的初级例程，但有必要掌握程序的基本设计框架，后面的例子都是建立在这个框架的基础上。建议初学者掌握好。