STM32的GPIO操作（寄存器&HAL）

（注：此为乐某学习记录，若有出错的地方欢迎各位指出！）

前言

本人使用的开发板的芯片是STM32H743XIH6，所以外设也是根据此芯片来介绍。

在使用HAL库配置的时候，需要安装STM32CubeMX。此软件可在ST官网下载，剩下的安装步骤比较简单，不会单独出篇进行讲解。

STM32CubeMX下载网址：https://www.st.com/zh/development-tools/stm32cubemx.html

一、什么是GPIO？可以做什么？

GPIO是General Purpose Input/Output的简写，翻译为通用输入/输出。在STM32里是可以对其进行控制或读取的引脚，通俗点讲，可以对它们输出高/低电平或者读取它们的实时电平。

GPIO可以实现跟硬件设备之间的通信（UART、IIC、SPI等），控制硬件设备的工作（LED、蜂鸣器等），读取硬件设备的状态等（中断读取，引脚状态读取等）。

我们知道了GPIO可以做这么多事，但是要怎么去实现呢？这里就提到一个复用的说法，就是将需要用的引脚用复用器去连接到其他的外设，这样的引脚功能就不会有冲突。有的操作就是，复用配置后，先执行这个外设的功能，然后再复用到其他的外设上使用。

我使用的这个芯片一共有11组IO，分别是GPIOA~K。其中GPIOA~J是16个IO口，GPIOK是只有8个IO，大家使用时请仔细阅读数据手册或参考手册。单个IO的称呼，例如GPIOA的PIN0，就可以叫做PA0。

二、GPIO的基本结构

我们使用到的IO的内部结构基本都是这样，对关键器件的解析：

1、保护二极管

为了防止IO引脚接到了一个过高或者过低的电压，当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通；当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。 所以，IO是无法直接接到高功率的器件工作的，需要有额外的电路去处理这部分的问题，否则可能会导致芯片的损坏或者无法驱动外接器件的工作。

2、P-MOS管和N-MOS管

由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。推挽即使强高或者强低的输出，开漏只有强低的输出，无法进行强高的操作。

3、开关

将输入的信号转换为0和1的器件。例如，输入的电平为1.5V，但是我的低电平阈值是0-0.4V，高电平是2.8-VDD。那么这个电平，就会被视为浮空状态。输出同理，不会输出阈值之外的电平，输出0的范围就是0-0.4V，输出高就是2.8-VDD。如果看到有VDD_FT，就是兼容5V。

三、不同输入/输出模式

1、五种输入：

（1）浮空输入

此模式下的IO口的电平，由外部的电平信号决定，是不确定的信号，最终会直接进入输入数据寄存器。此模式容易会受到干扰来扰乱电平，通常用于配置USART的RX引脚，如下图所示：

（2）上拉输入

此模式下的IO口电平，若无信号接入（悬空），默认为高电平。若输入高电平，电平状态就会保持高电平；若输入低电平，电平状态就会被拉低为低电平，此上拉为弱上拉。最终会直接进入输入数据寄存器。此模式可用作与一些电平状态为浮空的器件，例如按键。若按键是一端接VSS，一端接IO。没有按下的情况就是浮空的，当按下按键后就是低电平。

（3）下拉输入

此模式下的IO口电平，若无信号接入（悬空），默认为低电平。若输入高电平，电平状态就会被拉高为高电平；若输入低电平，电平状态就会保持低电平，此下拉为弱下拉。最终会直接进入输入数据寄存器。此模式可用作与一些电平状态为浮空的器件，例如按键。若按键是一端接VDD，一端接IO。没有按下的情况就是浮空的，当按下按键后就是高电平。

（4）模拟输入

此模式下的IO，将不再是读取电平状态，获取的是IO口的电压值。最终会输入到外设使用。通常使用到ADC外设，用来读取模拟电压的。例如，读热敏电阻和固定电阻的分压来计算当前温度。

（5）复用输入

此模式下的IO，会复用到单片机的其他外设，最终输入到外设使用。例如，USART的串口接收引脚，SPI的MISO引脚等。

2、四种输出：

（1）推挽输出

此时的IO上的P-MOS管和N-MOS管都进行工作，当我们输出设置"0"时，N-MOS管打开，P-MOS管关闭，输出低电平。当我们输出设置"1"时，P-MOS管打开，N-MOS管关闭，输出高电平。此模式输出的是强电平，是可以驱动一些器件的，带负载能力较强，开关速度高。

此时施密特触发器时开启的，我们也可以读取输出数据寄存器的值，可以看是否设置正确，不过这很少用。同时我们也可以通过输入数据寄存器来读取电平状态，注意！我们的IO电平不一定就是我们想要输出的电平。

（2）开漏输出

此时的IO上的P-MOS管不工作，只有N-MOS管工作。当我们输出设置"0"时，N-MOS管打开，P-MOS管关闭，输出低电平。当我们输出设置"1"时，P-MOS管关闭，N-MOS管关闭，此时的电平状态由外部决定。此模式只可输出强低电平，想输出高电平只能够靠外部提供。

此时施密特触发器时开启的，我们也可以读取输出数据寄存器的值，可以看是否设置正确，不过这很少用。同时我们也可以通过输入数据寄存器来读取电平状态，注意！我们的IO电平不一定就是我们想要输出的电平。

（3）模拟输出

此模式下的IO，将不再是设置电平状态，是设置IO口的电压值。最终会输出到外部使用。通常使用到DAC外设，用来设置模拟电压的。例如，设置电压到电压控制器件工作。

（4）复用输出

此模式下的IO，会复用到单片机的其他外设，输出数据寄存器无法使用。输出的电平状态将会由外设控制。复用推挽输出和复用开漏输出在此方面功能相同。

同时我们也可以通过输入数据寄存器来读取电平状态，注意！我们的IO电平不一定就是我们想要输出的电平。

四、GPIO的寄存器介绍

这里会拿配置IO的基本输入输出来介绍寄存器。我的开发板上的LED灯连接到PB0，按键连接到了PA0。前面介绍了不同的输入输出模式的区别，所以PB0需要配置成输出，PA0需要配置成输入。

1、端口模式寄存器

在每个位的介绍里，并没有看到具体的输入输出介绍，所以PB0配置为通用输出模式（01），PA0配置成输入模式（00）。

//PB0的模式配置
GPIOB->MODER &= ~(0x03 << 0);    //先对需要配置的为作清零
GPIOB->MODER |=  (0x01 << 0);
//按键1的模式配置
GPIOA->MODER &= ~(0x03 << 0);    //先对需要配置的为作清零
GPIOA->MODER |=  (0x00 << 0);

2、端口输出类型寄存器

只有PB0是配置为输出，所以PA0不需要配置此寄存器。因为是驱动LED灯亮，所以需要配置为推挽输出（0），使用开漏输出只有强低。

//PB0的输出类型配置
GPIOB->OTYPER &= ~(0x01 << 0);    //先对需要配置的为作清零
GPIOB->OTYPER |=  (0x00 << 0);

3、端口输出速度寄存器

只有PB0是配置为输出，所以PA0不需要配置此寄存器。速度多少都行，这里没有什么讲究，我设置为超高速。

//PB0的输出速度配置
GPIOB->OSPEEDR &= ~(0x03 << 0);    //先对需要配置的为作清零
GPIOB->OSPEEDR |=  (0x03 << 0);

4、端口上拉/下拉寄存器

PB0是做强高或强低输出的，没有必要做上拉下拉处理。PA0的外接了下拉电阻，所以这里也没必要做上下拉处理。

//PB0的上下拉配置
GPIOB->PUPDR &= ~(0x03 << 0);    //先对需要配置的为作清零
GPIOB->PUPDR |=  (0x00 << 0);
//PA0的上下拉配置
GPIOA->PUPDR &= ~(0x03 << 0);    //先对需要配置的为作清零
GPIOA->PUPDR |=  (0x00 << 0);

5、端口输入数据寄存器

这里会在获取按键引脚状态的时候使用到，我使用了宏定义来代替这操作。

#define KEY1_STATE GPIOA->IDR & (0x01 << 0)

6、端口输出数据寄存器

此寄存器在控制LED的输出操作时使用，统一写成宏定义的写法。我的开发板LED是低电平点亮，所以将第0位置1熄灭LED，置0点亮LED

#define LED_ON  GPIOB->ODR &= ~(0x01 << 0);
#define LED_OFF GPIOB->ODR |= (0x01 << 0);

7、端口复位/置位寄存器

这个寄存器的功能和输出寄存器的差不多，就是操作有点差别。在0-15位置1，就会把输出寄存器的对应位置1。在16-31位置一，就会把输出寄存器的对应位置0，就是16位对应0位，31位对应15位。

#define LED_ON  GPIOB->BSRR |= (0x01 << 16);
#define LED_OFF GPIOB->BSRR |= (0x01 << 0);

8、端口配置锁定寄存器

此寄存器较为少用， 简要来说，就是用来锁定GPIO的配置的，需要按照上面的解锁方式对第16位操作，将GPIO进行解锁。然后给16位置0，再给你想要锁定的端口置1即可。有兴趣可以去研究研究。

9、复用功能寄存器

这个寄存器的作用，是引脚用于外设时使用的。可以将引脚复用到其他的外设，其中的AFx就是想要复用的外设，一个引脚可能有好几种外设可以复用。后面写到其他外设的时候会使用这个寄存器，所以这里不多表述。

五、GPIO的配置方法

1、寄存器配置

//GPIOA和GPIOB的时钟开启
RCC->AHB4ENR |= (0x03 << 0);

//PB0的模式配置
GPIOB->MODER &= ~(0x03 << 0);
GPIOB->MODER |=  (0x01 << 0);

//PB0的输出模式配置
GPIOB->OTYPER &= ~(0x01 << 0);
GPIOB->OTYPER |=  (0x00 << 0);

//PB0的输出速度配置
GPIOB->OSPEEDR &= ~(0x03 << 0);
GPIOB->OSPEEDR |=  (0x03 << 0);

//PB0的上下拉配置
GPIOB->PUPDR &= ~(0x03 << 0);
GPIOB->PUPDR |=  (0x00 << 0);

//PA0的模式配置
GPIOA->MODER &= ~(0x03 << 0);
GPIOA->MODER |=  (0x00 << 0);

//PA0的上下拉配置
GPIOA->PUPDR &= ~(0x03 << 0);
GPIOA->PUPDR |=  (0x00 << 0);

2、HAL库配置

1、打开STM32CubeMX，点击这里

2、搜索到自己的芯片信号后，双击点进去

3、这就是默认的界面

4、选择使用的引脚和需要配置的类型

5、选择好之后，点击右边的这部分，进行引脚的具体配置。

6、配置系统时钟，这里我使用的内部高速时钟，直接在这里输入64，然后一直点击确定，然后就会自动帮忙配置好。

7、按下面的步骤，选择好项目名称和地址。

8、这里会创建一个文件夹，是专门做外设的初始化的，我比较建议勾上。

9、点击生成代码，然后就配置好了。

10、这里就是我们使用STM32CubeMX配置的GPIO方式，在MX_GPIO_Init函数里面，就是具体的配置操作，这里的操作和标准库的很相似。

六、总结

此篇对STM的GPIO外设进行了讲解，介绍了GPIO的基本结构，不同的输入输出模式，以及寄存器的介绍。学到这里，应该就能做出，通过按键控制LED灯的亮灭这种操作了。

HAL库的操作介绍比较简单，基本上只要学习了标准库就会HAL库了，而学了寄存器后，就能大致看懂库函数里面都做了什么，因为库函数的本质也就是操作寄存器。库函数的操作呢，多玩玩基本上就熟悉了，大部分的功能都有函数实现，除非想要做出想要的逻辑操作，所以就不再过多的介绍库函数。