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

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

• <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

• 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

• 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

• 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：

2.2.4 模拟功能

• 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

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
• 宏
• 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。

<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。