第2章 STM32-GPIO

2.1 GPIO的概述
2.1.1 什么是GPIO?GPIO的作用?

  • GPIO:通用输入输出控制器。

  • GPIO的作用:芯片用来控制或采集外部器件的相关信息

2.1.2 GPIO的特征

  • 输入状态:浮空、上拉/下拉、模拟
  • 输出状态:推挽或开漏 + 上拉、下拉
  • 将数据输入到输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) 或外设(复用功能输入)
  • 从输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) 或外设(复用功能输出)输出数据
  • 置位和复位寄存器 (GPIOx_BSRR),对 GPIOx_ODR 具有按位写权限
  • 模拟功能
  • 复用功能输入 /输出选择寄存器(一个 I/O 最多可具有 16 个复用功能)
  • 输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) 每隔 1 个 AHB1 时钟周期捕获一次 I/O 引脚的数据。
  • 所有 GPIO 引脚都具有内部弱上拉及下拉电阻,可根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值来打开 /关闭。

2.1.3 GPIO 功能描述

  • 输入浮空
  • 输入上拉
  • 输入下拉
  • 模拟功能
  • 具有上拉或下拉功能的开漏输出
  • 具有上拉或下拉功能的推挽输出
  • 具有上拉或下拉功能的复用功能推挽
  • 具有上拉或下拉功能的复用功能开漏

注意:每个 I/O 端口位均可自由编程,但 I/O 端口寄存器必须按 32 位字、半字或字节进行访问

2.1.4 5V容忍原理

第2章 STM32-GPIO_第1张图片
在这里插入图片描述
2.1.5 I/O 引脚复用器和映射

微控制器 I/O 引脚通过一个复用器连接到板载外设 /模块,该复用器一次仅允许一个外设的复用功能 (AF) 连接到 I/O 引脚
第2章 STM32-GPIO_第2张图片
第2章 STM32-GPIO_第3张图片

  • <1>完成复位后,所有 I/O 都会连接到系统的复用功能 0 (AF0)。
  • <2>外设的复用功能映射到 AF1 至 AF13。
  • <3>Cortex™-M4F EVENTOUT 映射到 AF15

2.2 GPIO的框架
2.2.1 输入配置
第2章 STM32-GPIO_第4张图片

  • 输出缓冲器被关闭
  • 施密特触发器输入被打开
  • 根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否打开上拉和下拉电阻
  • 输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样
  • 对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态

2.2.2 输出配置
第2章 STM32-GPIO_第5张图片
第2章 STM32-GPIO_第6张图片
第2章 STM32-GPIO_第7张图片
第2章 STM32-GPIO_第8张图片

  • 输出缓冲器被打开:
  • 开漏模式:输出寄存器中的“0”可激活 N-MOS,而输出寄存器中的“1 ”会使端口保持高组态 (Hi-Z)(P-MOS 始终不激活)。
  • 推挽模式:输出寄存器中的“0”可激活 N-MOS,而输出寄存器中的“1 ”可激活P-MOS。
  • 施密特触发器输入被打开
  • 根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否打开弱上拉电阻和下拉电阻
  • 输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样
  • 对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态
  • 对输出数据寄存器的读访问可获取最后的写入值

2.2.3 复用功能
第2章 STM32-GPIO_第9张图片

  • 可将输出缓冲器配置为开漏或推挽

  • 输出缓冲器由来自外设的信号驱动(发送器使能和数据)

  • 施密特触发器输入被打开

  • 根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否打开弱上拉电阻和下拉电阻

  • 输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样

  • 对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态

复用与通用的对比:
第2章 STM32-GPIO_第10张图片
2.2.4 模拟功能
第2章 STM32-GPIO_第11张图片

  • 输出缓冲器被禁止。
  • 施密特触发器输入停用, I/O 引脚的每个模拟输入的功耗变为零。施密特触发器的输出被 强制处理为恒定值 (0)。
  • 弱上拉和下拉电阻被关闭。
  • 对输入数据寄存器的读访问值为“0”。

2.3 GPIO相关寄存器

2.3.1 GPIO寄存器

每个IO口有10个寄存器控制

4 个 32 位配置寄存器

  • GPIOx_MODER

  • GPIOx_OTYPER

  • GPIOx_OSPEEDR

  • GPIOx_PUPDR

2 个 32 位数据寄存器

  • GPIOx_IDR
  • GPIOx_ODR

1 个 32 位置位 /复位寄存器

  • GPIOx_BSRR

1 个 32 位锁定寄存器

  • GPIOx_LCKR

2 个 32 位复用功能选择寄存器

  • GPIOx_AFRL
  • GPIOx_AFRH

2.3.2 寄存器相关缩写
第2章 STM32-GPIO_第12张图片
2.4 软件设计

2.4.1 LED灯

  • 1.开时钟

  • 2.初始化GPIO

  • 3.点亮灯

2.4.2 蜂鸣器

  • 1.开时钟
  • 2.初始化GPIO
  • 3.开启蜂鸣器

2.4.3 按键

  • 1.开时钟

  • 2.初始化GPIO

  • 3.按键识别

     延时消抖
     松手检测
    

2.5 补充
2.5.1 IO口与端口

GPIO口以分组形式存在,每组(端口)有16个IO口。

  • I/O口:某个具体引脚

  • 端口:16个I/O口组成

2.5.2 变量与寄存器的异同

相同点:

  • 变量与寄存器都向内存申请空间,可以存储数据,都有相应地址。

不同点:

  • 变量地址随时变化,寄存器地址永远固定;

  • 变量可以存储浮点类型数据,寄存器不能存储浮点类型数据。

2.5.3 各类电平

CMOS电平:

  • 3.3V 逻辑1

  • 0.0V 逻辑0

TTL电平:

  • 5.0V 逻辑1

  • 0.0V 逻辑0

485/232电平:

  • -15V~-3V 逻辑1

  • 3V~15V 逻辑0

差分信号:

  • 定义:有两条线,通过两条线的电压差作为逻辑0/1。

  • 好处:传输距离很远。衰减一致,保证逻辑。

2.5.4 问答
<1>为什么使用模块化编程?

  • 降低代码冗余度,提高代码的利用率

  • 便于阅读和维护

<2>为什么使用条件编译?

  • 为了使代码更加灵活

<3>头文件使用条件编译的作用?

  • 防止头文件重复引入

<4>注释的作用?

  • 提高代码的阅读性

<5>头文件一般有什么东西?

  • 头文件
  • 函数声明
  • 变量声明
  • 变量(不建议)

<6>按键按下为什么要延时消抖?

  • 按键按下瞬间,按键从一个稳定状态变化到另一个稳定状态之间,有一个不稳定的过程,延时是为了越过不稳定状态存在的时间,一般为10ms。

第2章 STM32-GPIO_第13张图片
<7>按键如何保持一次性?

  • 松手检测:设置一个静态标志位,用于松手检测。

<8>知识领悟

  • 寄存器是编程人员的编程接口,对于MCU而言,不管你如何封装,一切配置,终究归于寄存器配置;而操作寄存器的本质是对操作地址。

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