【工具使用】STM32CubeMX-GPIO配置

一、概述

    无论是新手还是大佬，基于STM32单片机的开发，使用STM32CubeMX都是可以极大提升开发效率的，并且其界面化的开发，也大大降低了新手对STM32单片机的开发门槛。
    本文主要讲述STM32芯片的GPIO的配置及其相关知识。GPIO（全称General-purpose input/output）通用型输入输出，是单片机中使用最为广泛，也是最为简单的一种外设。

二、软件说明

    STM32CubeMX是ST官方出的一款针对ST的MCU/MPU跨平台的图形化工具，支持在Linux、MacOS、Window系统下开发，其对接的底层接口是HAL库，另外习惯于寄存器开发的同学们，也可以使用LL库。STM32CubeMX除了集成MCU/MPU的硬件抽象层，另外还集成了像RTOS，文件系统，USB，网络，显示，嵌入式AI等中间件，这样开发者就能够很轻松的完成MCU/MPU的底层驱动的配置，留出更多精力开发上层功能逻辑，能够更进一步提高了嵌入式开发效率。
    演示版本 6.7.0

三、GPIO简介

    GPIO（全称General-purpose input/output）通用型输入输出，作为单片机最常用的一种外设，我们得先看下它有哪些功能。首先从芯片手册上，我们可以找到这么一张图。
    从英文名称不难看出，GPIO的基本功能有两个，一个是I（Input）输入，一个是O（Output）输出。因为嵌入式软件是最贴近硬件的驱动级软件，所以这里需要涉及一点硬件的知识。其中最常讲的就是上、下拉、高阻态，推挽、开漏。

• 上拉

    下图圈出来的部分就是上拉电路，其实就是对VCC接一个电阻。常态未接任何东西的情况下，直接使用万用表测量地跟上拉电阻下端的电压，测出来的电压值就是VCC。这就是上拉电路最重要的功能，将电压稳定在高电平。当输出端对地时，VCC通过上拉电阻对地形成回路，此时就会在回路上产生电流，上拉电阻就作为一个分流的作用。

• 下拉

    对地接一个电阻，就变成了下拉电路。常态未接任何东西的情况下，直接使用万用表测量地跟下拉电阻上端的电压，测出来的电压值就是0V。这就是下拉电路最重要的功能，将电压稳定在低电平。当输出端对VCC时，VCC通过下拉电阻对地形成回路，此时就会在回路上产生电流，下拉电阻就作为一个分流的作用。

• 高阻态

    对地和对VCC的电阻很大（一般是M欧级别的），接近断连，此时即称为高阻态，又称浮空。对于STM32的GPIO端口，初始未配置的情况下，默认一般是高阻态。

• 推挽

    直接由单片机内部的MOS管输出高低电平，驱动力有限。

• 开漏

    需要外部接上拉电阻才能进行控制，好处是外部器件的驱动电流可完全由外部的电压和上拉电阻决定，驱动力强。

基本功能

    STM32的GPIO基本功能有下面这么几种：模拟输入/输出，复用输入/输出，IO输入/输出。本文重点介绍IO输入输出。
    复用模式是用于将该端口连接到单片机的其他外设上，如定时器、外部中断等。而模拟输入/输出模式，则是将该端口连接到单片机的ADC/DAC模块上。这两部分会在其他外设的篇章中单独提及。

四、GPIO配置

• 输出配置

    GPIO的相关配置项，除了上面说的上、下拉模式，推挽、开漏模式，复用模式，还有速度的配置。GPIO的速度模式需要根据实际使用的翻转速度进行选择。
    下面以点个开发板上的LED灯为例子进行配置。首先看下开发板上是LED灯电路，是GND接发光二极管直接接到单片机口。所以当单片机GPIO口输出高电平时，因为LED灯两边存在电势差，电流通过R31电阻，经过LD2到地，使LED灯亮；当输出低电平时，因为LED灯两端无电势差，电路不导通，LED灯灭。

    根据原理图所示，这里将PA5引脚配置成"GPIO_OUTPUT"，即普通输出口。

    再在"System Core"选项中，找到"GPIO"，选择PA5，配置成初始电平配置为低电平，推挽输出（驱动LED灯的电流不大，可以直接驱动），无上下拉，速度为低速。

    配置为HAL或LL库，并配置好时钟，输出Keil工程，生成代码工程。

    在生成的工程中添加如下代码，每500ms翻转一下灯的状态。

int main(void)
{
    /* 省略初始化部分 */
    ......
    
    while(1)
    {
        /* 单片机界的Hello world! */
        /******** HAL库的实现--CubeMX中配置为HAL库 ********/
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,			/* GPIOx，x为A~H */
							GPIO_PIN_5,		/* GPIO_PIN_x，x为0~15 */
							GPIO_PIN_SET);	/* GPIO_PIN_SET为高电平，GPIO_PIN_RESET为低电平 */
		HAL_Delay(500);						/* 延时500ms */
		
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,
							GPIO_PIN_5,
							GPIO_PIN_RESET);
		HAL_Delay(500);



        /********* LL库的实现--CubeMX中配置为LL库 ********/
        #if 0
        LL_GPIO_SetOutputPin(GPIOA,
        						LL_GPIO_PIN_5);		/* 跟HAL库比，多了个LL的标识 */
		HAL_Delay(500);
		
		LL_GPIO_ResetOutputPin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5);
		HAL_Delay(500);
        #endif
    }
}

效果展示

• 输入配置

    上面的配置+代码已经可以让LED灯自己闪动起来，现在我们要增加点自己的存在感，通过一个按键来控制灯闪——按下按键灯亮，放开灯灭。
    同样的，先查看原理图，找到按键连接的GPIO口。先分析下这个电路，按键B1按下时，GPIO口连接到地，也就是逻辑信号变0；松开B1键时，GPIO口上拉至VDD，即逻辑信号变为1。

    根据原理图所示，这里将PC13引脚配置成"GPIO_INPUT"，即普通输入口。

    再在"System Core"选项中，找到"GPIO"，选择PC13，配置为输入模式，无上下拉。

    然后将刚才闪灯的代码稍微改造一下。

int main(void)
{
    /* 省略初始化部分 */
    ......
    
    while(1)
    {
    	/******** HAL库的实现--CubeMX中配置为HAL库 ********/
    	/* 判断按键为按下-输入端口变为逻辑0，则点亮灯 */
    	if (GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_13))
		{
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
		}
		/* 否则灭灯 */
		else
		{
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
		}



    	/********* LL库的实现--CubeMX中配置为LL库 ********/
    	#if 0
        if (0 == LL_GPIO_IsInputPinSet(GPIOC, GPIO_PIN_13))
		{
			LL_GPIO_SetOutputPin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5);
		}
		else
		{
			LL_GPIO_ResetOutputPin(GPIOA, LL_GPIO_PIN_5);
		}
		#endif
    }
}

效果展示

五、注意事项

1、GPIO的配置跟硬件电路相关性较大，需要根据不同的电路特性进行配置，所以想要搞好单片机，还是得先从硬件基础走起。
2、对于高频使用，比如用GPIO模拟SWD接口时，需要把GPIO的速度调快，否则可能会因为一些电容特性导致波形失真。