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第17章 STM32F407之GPIO的HAL库API
本章教程为大家讲解GPIO（General-purpose I/Os）的API使用和注意事项。GPIO是所有外设里面较容易掌握的，但也是用到最多的。
配合第15章讲解的各种IO模式再学习本章，更容易理解透彻。
17.1 初学者重要提示
17.2 GPIO涉及到的寄存器
17.3 源文件stm32f4xx_hal_gpio.c
17.4 如何使用HAL库的GPIO驱动
17.5 总结
17.1 初学者重要提示
1、 如何阅读HAL库源码的问题
HAL库实现的函数有复杂的，也有简单的，简单的可以直接阅读代码。复杂的代码阅读起来比较耗时间，如果再配合参考手册抠每个寄存器的配置，那就更消耗时间了。所以对于这种函数，用户仅需了解每个部分实行的功能即可，而且HAL库都做了关键注释，以说明这部分实现的功能。所以用户没有必要去抠每个配置是如何实现的，仅需知道实现了什么功能。以后工程项目有需要了解具体配置时，再看即可。
2、 学习本章节前，务必保证已经学习了第15章。
17.2 GPIO涉及到的寄存器
GPIO外设涉及到的寄存器比较少，也容易理解，推荐大家阅读GPIO源码的时候将参考手册中对应的寄存器功能做一个了解。
很多时候，我们会直接调用GPIO的寄存器进行配置，而不使用HAL进行调用，以提高执行效率，特别是中断里面执行时。
17.3 源文件stm32f4xx_hal_gpio.c
这个文件主要是实现GPIO的引脚配置，学习这个文件注意事项：
- 系统上电后，引脚默认状态是模拟模式。
- 所有的引脚有弱上拉和弱下拉电阻，阻值范围30-50KΩ。其中配置为模拟模式时，上拉和下拉被硬件禁止，其它的输入、输出和复用都可以配置上拉和下拉。
- 在输出或者复用模式，每个引脚可以配置成推挽或者开漏，且有GPIO速度等级可配置。另外注意，不同的供电范围，实际速度等级是有些区别的。
- 每个GPIO都可以配置成外部中断/事件模式，但要特别注意，引脚要配置成输入模式，在芯片的内部有个多路选择器，选择引脚与16个外部中断/事件EXTI0 - EXTI15中的那个导通。这就决定了，每个外部中断/事件只能与一个引脚导通，如果用户配置了多个引脚PA0，PB0，PC0等，那么只有一个能够与EXTI0导通。
17.3.1 函数HAL_GPIO_Init
函数原型：
void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init) { /* 部分省略未写 */ /* 配置GPIO引脚，这些采用16个引脚的循环检测模式 */ for(position = 0; position < GPIO_NUMBER; position++) { /* 部分省略未写 */ if(iocurrent == ioposition) { /*--------------------- GPIO模式配置 ------------------------*/ /*--------------------- EXTI模式配置 ------------------------*/ } } }
函数描述：
此函数用于初始化GPIO，此函数主要实现如下功能：
- GPIO功能配置。
- 设置EXTI功能。
函数参数：
- 第1个参数用于填写使用的端口号，可以是：
#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) #define GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE) #define GPIOI ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE) #define GPIOJ ((GPIO_TypeDef *) GPIOJ_BASE) #define GPIOK ((GPIO_TypeDef *) GPIOK_BASE)
- 第2个形参是GPIO_InitTypeDef类型的结构体变量，这个变量比较重要，要熟练掌握，定义如下：
{
uint32_t Pin;
uint32_t Mode;
uint32_t Pull;
uint32_t Speed;
uint32_t Alternate;
}GPIO_InitTypeDef;
下面将结构体每个成员做个说明：
- 成员Pin用于配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15，额外还可以选择GPIO_PIN_All和GPIO_PIN_MASK。
- 成员Mode可以选择：
GPIO_MODE_INPUT /* 输入模式 */ GPIO_MODE_OUTPUT_PP /* 推挽输出 */ GPIO_MODE_OUTPUT_OD /* 开漏输出 */ GPIO_MODE_AF_PP /* 复用推挽 */ GPIO_MODE_AF_OD /* 复用开漏 */ GPIO_MODE_ANALOG /* 模拟模式 */ GPIO_MODE_IT_RISING /* 外部中断，上升沿触发检测 */ GPIO_MODE_IT_FALLING /* 外部中断，下降沿触发检测 */ GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING /* 外部中断，双沿触发检测 */ GPIO_MODE_EVT_RISING /* 外部事件模式，上升沿触发检测 */ GPIO_MODE_EVT_FALLING /* 外部事件模式，下降沿触发检测 */ GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING /* 外部事件模式，双沿触发检测 */
- 成员Pull用于配置上拉下拉电阻：
GPIO_NOPULL /* 无上拉和下拉电阻 */ GPIO_PULLUP /* 带上拉电阻 */ GPIO_PULLDOWN /* 带下拉电阻 */
- 成员Speed用于配置GPIO速度等级，有下面四种可选：
GPIO_SPEED_FREQ_LOW /* 低速 */ GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM /* 中等速度 */ GPIO_SPEED_FREQ_HIGH /* 快速 */ GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH /* 高速 */
- 成员Alternate用于配置引脚复用，可选择的复用方式在文件stm32f4xx_hal_gpio_ex.h里面进行了定义，比如串口复用：
GPIO_AF7_USART1
GPIO_AF7_USART2
GPIO_AF7_USART3
GPIO_AF7_USART6
GPIO_AF7_UART7
注意事项：
- 与F1，F4系列的标准库不同，F4的HAL库已经没有单独的EXTI外部中断设置文件，是将其整合到此函数里面了。
- 函数HAL_GPIO_Init对引脚的初始化是把同组16个引脚for循环检测了一遍，效率稍低。所以不推荐下面这种初始化：
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); //这里会执行16次for查询 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); //这里会执行16次for查询 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); //这里会执行16次for查询
如果是程序运行期间的引脚状态切换，最好采用下面的方式或者直接寄存器操作：
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 |GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 ; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); //这里会执行16次for查询
使用举例：
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; /* 推挽输出 */ GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 无上拉和下拉电阻 */ GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; /* GPIO速度等级最高 */ HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
17.3.2 函数HAL_GPIO_DeInit
函数原型：
void HAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin) { for(position = 0; position < GPIO_NUMBER; position++) { /* 部分省略未写 */ if(iocurrent == ioposition) { /*------------------------- GPIO Mode Configuration --------------------*/ /* 配置为模拟模式 */ GPIOx->MODER |= (GPIO_MODER_MODER0 << (position * 2)); /* 配置复用模式为AF0，即作为通用IO */ GPIOx->AFR[position >> 3] &= ~((uint32_t)0xF << ((uint32_t)(position & (uint32_t)0x07) * 4)) ; /* 配置到最低速度 */ GPIOx->OSPEEDR &= ~(GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR0 << (position * 2)); /* 输出类型是推挽，如果IO模式被设置为模拟，此选项对其没有影响 */ GPIOx->OTYPER &= ~(GPIO_OTYPER_OT_0 << position) ; /* 无上拉和下拉电阻 */ GPIOx->PUPDR &= ~(GPIO_PUPDR_PUPDR0 << (position * 2)); /*------------------------- EXTI模式配置 --------------------*/ } } }
函数描述：
此函数用于复位IO到初始化状态，具体状态看函数原型中的注释即可。
函数参数：
- 第1个参数用于填写使用的端口号，可以是：
#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) #define GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE) #define GPIOI ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE) #define GPIOJ ((GPIO_TypeDef *) GPIOJ_BASE) #define GPIOK ((GPIO_TypeDef *) GPIOK_BASE)
- 第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。
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。
17.3.3 函数HAL_GPIO_ReadPin
函数原型：
GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) { GPIO_PinState bitstatus; /* Check the parameters */ assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin)); if((GPIOx->IDR & GPIO_Pin) != (uint32_t)GPIO_PIN_RESET) { bitstatus = GPIO_PIN_SET; } else { bitstatus = GPIO_PIN_RESET; } return bitstatus; }
函数描述：
此函数用于读取引脚状态，通过GPIO的IDR寄存器读取。
函数参数：
- 第1个参数用于填写使用的端口号，从GPIOA到GPIOK。
- 第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。
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。
17.3.4 函数HAL_GPIO_WritePin
函数原型：
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState) { /* Check the parameters */ assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin)); assert_param(IS_GPIO_PIN_ACTION(PinState)); if(PinState != GPIO_PIN_RESET) { GPIOx->BSRRL = GPIO_Pin; } else { GPIOx->BSRRH = GPIO_Pin ; } }
函数描述：
此函数用于设置引脚输出高电平或者低电平。使用GPIO的BSRR寄存器进行设置，使用这个寄存器的好处是支持原子操作，由硬件支持的。原子操作的含义是操作过程不会被中断打断，而我们使用GPIO中另一个设置输出的寄存ODR是会被中断打断的。大家看下寄存器赋值操作对应的反汇编，是由多条汇编指令组成的。
函数参数：
- 第1个参数用于填写使用的端口号，从GPIOA到GPIAK。
- 第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。
- 第3个参数用于设置引脚输出高电平还是低电平，GPIO_PIN_RESET表示低电平，GPIO_PIN_SET表示高电平。
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。
17.3.5 函数HAL_GPIO_TogglePin
函数原型：
void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) { /* Check the parameters */ assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin)); GPIOx->ODR ^= GPIO_Pin; }
函数描述：
此函数用于设置引脚的电平翻转，使用GPIO的ODR寄存器进行设置。
函数参数：
- 第1个参数用于填写使用的端口号，从GPIOA到GPIAK。
- 第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。
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。
17.3.6 函数HAL_GPIO_LockPin
函数原型：
HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) { __IO uint32_t tmp = GPIO_LCKR_LCKK; assert_param(IS_GPIO_LOCK_INSTANCE(GPIOx)); assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin)); /* 应用IO锁的写入顺序 */ tmp |= GPIO_Pin; /* 设置 LCKx bit(s): LCKK='1' + LCK[15-0] */ GPIOx->LCKR = tmp; /* 复位 LCKx bit(s): LCKK='0' + LCK[15-0] */ GPIOx->LCKR = GPIO_Pin; /* 设置 LCKx bit(s): LCKK='1' + LCK[15-0] */ GPIOx->LCKR = tmp; /* 复位 LCKK bit*/ tmp = GPIOx->LCKR; if((GPIOx->LCKR & GPIO_LCKR_LCKK) != RESET) { return HAL_OK; } else { return HAL_ERROR; } }
函数描述：
此函数用于锁住GPIO引脚所涉及到的寄存器，这些寄存器包括GPIOx_MODER，GPIOx_OTYPER，GPIOx_OSPEEDR，GPIOx_PUPDR，GPIOx_AFRL 和 GPIOx_AFRH。
函数参数：
- 第1个参数用于填写使用的端口号，从GPIOA到GPIAK。
- 第2个参数是配置选择的引脚，范围GPIO_PIN_0到GPIO_PIN_15。
注意事项：
- 此函数是锁住用户设置的引脚所对应的寄存器某些位，并不是把整个寄存器都锁住了。
- 一旦锁住后，就不能再修改，只有复位后才可以重新配置。
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。
17.4 如何使用HAL库的GPIO驱动
使用方法由HAL库提供（本章17.3.1小节提供的例子就是这种方式）：
- 第1步：使能GPIO所在总线的AHB时钟，__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()。
- 第2步：通过函数HAL_GPIO_Init()配置GPIO。
(1) 通过结构体GPIO_InitTypeDef的成员Mode配置输入、输出、模拟等模式。
(2) 通过结构体GPIO_InitTypeDef的成员Pull配置上拉、下拉电阻。
(3) 通过结构体GPIO_InitTypeDef的成员Speed配置GPIO速度等级。
(4) 如果选择了复用模式，那么就需要配置结构体GPIO_InitTypeDef的成员Alternate。
(5) 如果引脚功能用于ADC、DAC的话，需要配置引脚为模拟模式。
(6) 如果是用于外部中断/事件，结构体GPIO_InitTypeDef的成员Mode可以配置相应模式，相应的上升沿、下降沿或者双沿触发也可以选择。
- 第3步：如果配置了外部中断/事件，可以通过函数HAL_NVIC_SetPriority设置优先级，然后调用函数HAL_NVIC_EnableIRQ使能此中断。
- 第4步：输入模式读取引脚状态可以使用函数HAL_GPIO_ReadPin。
- 第5步：输出模式设置引脚状态可以调用函数HAL_GPIO_WritePin()和HAL_GPIO_TogglePin。
另外注意下面三个问题：
- 系统上电复位后，GPIO默认是模拟模式，除了JTAG相关引脚。
- 关闭LSE的话，用到的两个引脚OSC32_IN和OSC32_OUT（分别是PC14，PC15）可以用在通用IO，如果开启了，就不能再做GPIO。
- 关闭HSE的话，用到的两个引脚OSC_IN和OSC_OUT（分别是PH0，PH1）可以用在通用IO，如果开启了，就不能再做GPIO。
17.5 总结
本章节就为大家讲解这么多，建议大家将GPIO的驱动源码结合参考手册中的寄存器通读一遍，对于我们后面章节的学习大有裨益。