（四）STM32 操作 GPIO 点亮 LED灯 / GPIO工作模式

目录

1. STM32 工程模板中的工程目录介绍

2. GPIO 简介

3. GPIO 框图剖析

        1）保护二极管及上、下拉电阻

        2） P-MOS 管和 N-MOS 管

        3）输出数据寄存器

        3.1）ODR 端口输出数据寄存器

        3.2）BSRR 端口位设置/清除寄存器 

        4）复用功能输出

         5）输入数据寄存器

        6）复用功能输入

        7）模拟输入输出

4. GPIO 工作模式

        1）输入模式（模拟/浮空/上拉/下拉）

        2）输出模式（推挽/开漏）

        3）复用功能（推挽/开漏）

5. 实验—— 操作GPIO 点亮 LED 灯

5.1 硬件连接图

5.2 程序代码

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1. STM32 工程模板中的工程目录介绍

        上节我们已经说明了，如何去建立一个 STM32 的工程模板，这节我们在此模板的基础上进行操作单片机 IO 口，输出高低电平，控制 LED 的闪烁。

        在讲解 STM32 的 GPIO 之前，首先打开之前的工程模板，对实验工程目录进行一个简单的介绍：

         ① 组 USER 下面存放的主要是用户代码。system_stm32f10x.c 里面主要是系统时钟初始化函数 SystemInit 相关的定义，一般情况下文件用户不需要修改（如果需要修改系统时钟，请看下一篇文章，会具体讲解）。stm32f10x_it.c 里面存放的是部分中断服务函数，不需要修改（一般我们都把中断函数放在了中断初始化函数之后，方便查找）。main.c 函数主要存放的是主函数了，这个大家应该很清楚。

        ② 组 HARDWARE 下面存放的是每个实验的外设驱动代码，他的实现是通过调用 FWLib下面的固件库文件实现的，比如 led.c 里面调用 stm32f10x_gpio.c 里面的函数对 led 进行初始化，这里面的函数是讲解的重点。后面的实验中可以看到会引入多个源文件。

        ③ 组 SYSTEM 是正点原子提供的共用代码，包含 Systick 延时函数，IO 口位带操作以及串口相关函数。这个文件主要是我们不用再自己去敲写 延时函数，并且可以进行位带操作。封装好的，大家可以直接用，想深入了解的可以自己查看源代码是怎么实现的。

        ④ 组 CORE 下面存放的是固件库必须的 核心文件和启动文件。这里面的文件用户不需要修改。

        ⑤ 组 FWLib 下面存放的是 ST 官方提供的外设驱动固件库文件，这些文件大家可以根据工程需要来添加和删除。每个 stm32f10x_ppp.c 源文件对应一个 stm32f10x_ppp.h 头文件。这是 ST 官方给我们写好的驱动 芯片外设的 固件库函数，相当于你学 C 语言，调用一些人家给你写好的库函数一样，直接调用即可，自己也可以深究。

        ⑥ 组 README 主要就是添加了 README.TXT 说明文件，对实验操作进行相关说明。

那么这些组之间的层析结构：

        从层次图中可以看出，我们的 用户代码 和 HARDWARE 下面的外设驱动代码再不需要直接操作寄存器，而是直接或间接操作官方提供的固件库函数。其实固件库函数的底层逻辑就是操作的是寄存器，但人家为了开发效率，已经帮我们封装好了，无需再去操作寄存器去驱动外设。但是，当用好固件库后，可以自己深究一下寄存器，会对整个 STM32 的系统架构，固件库有更深的理解。

2. GPIO 简介

        GPIO 是通用输入输出端口的简称，简单来说就是 STM32 可控制的引脚，STM32 芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32 芯片的 GPIO被分成很多组，每组有 16 个引脚，如型号为 STM32F103ZET6 型号的芯片有 GPIOA、GPIOB、GPIOC 至 GPIOG 共 7 组 GPIO，芯片一共 144 个引脚，其中 GPIO 就占了一大部分，所有的 GPIO引脚都有基本的输入输出功能。
        最基本的输出功能是由 STM32 控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把 GPIO 引脚接入到 LED 灯，那就可以控制 LED 灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或
三极管控制外部大功率电路的通断。

        每个 IO 口可以自由编程，但 IO 口寄存器必须要按 32 位字被访问。STM32 的很多 IO 口都是 5V 兼容的，这些 IO 口在与 5V 电平的外设连接的时候很有优势，具体哪些 IO 口是 5V 兼容的，可以从该芯片的 数据手册 管脚描述章节查到（I/O Level 标 FT 的就是 5V 电平兼容的）。
        STM32 的每个 IO 端口都有 7 个寄存器来控制。他们分别是：配置模式的 2 个 32 位的端口配置寄存器 CRL 和 CRH；2 个 32 位的数据寄存器 IDR 和 ODR；1 个 32 位的置位/复位寄存器BSRR；一个 16 位的复位寄存器 BRR；1 个 32 位的锁存寄存器 LCKR。大家如果想要了解每个寄存器的详细使用方法，可以参考《STM32 中文参考手册 V10》P105~P129。

3. GPIO 框图剖析

        通过 GPIO 硬件结构框图，就可以从整体上深入了解 GPIO 外设及它的各种应用模式。该图从最右端看起，最右端就是代表 STM32 芯片引出的 GPIO 引脚，其余部件都位于芯片内部。 

        1）保护二极管及上、下拉电阻

        引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，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。尽管有这样的保护，并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱
动电机，强制驱动要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。

        2） P-MOS 管和 N-MOS 管

        GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。
        先看输出模式部分，线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS 管组成的单元电路。这个结构使 GPIO 具有了 “推挽输出” 和 “开漏输出” 两种模式。
        所谓的推挽输出模式，是根据这两个 MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的 P-MOS 导通，下方的 N-MOS 关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS 管导通，P-MOS 关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P 管负责灌电流，N 管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏，高电平为 3.3 伏，具体参考图推挽等效电路 ，它是推挽输出模式时的等效电路。

        而在开漏输出模式时，上方的 P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为 0，低电平，则 P-MOS 管关闭，N-MOS 管导通，使输出接地，若控制输出为 1 (它无法直接输出高电平) 时，则 P-MOS 管和 N-MOS 管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻，参考图开漏电路 中等效电路。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0 伏。 

        推挽输出模式一般应用在输出电平为 0 和 3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。 

        开漏输出一般应用在 I2C、SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出 5 伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为 5伏，
并且把 GPIO 设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出 5 伏的电平，具体
见图 STM32_IO 对外输出 5V 电平。

        也就是说，如果你需要让 STM32单片机 IO 口输出一个 5V 的信号时，可以把这个 IO 口设置为开漏输出，并且在该 IO 口上外接上拉电阻和 5V 电源，那么通过控制该 IO 口的输出状态，就可以输出 5V 和 0V。

        3）输出数据寄存器

        前面提到的双 MOS 管结构电路的输入信号，是由 GPIO “输出数据寄存器 GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而 “置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR” 可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

        3.1）ODR 端口输出数据寄存器

        ODR 是一个端口输出数据寄存器，也只用了低 16 位。该寄存器为可读写，从该寄存器读出来的数据可以用于判断当前 IO 口的输出状态。而向该寄存器写数据，则可以控制某个 IO 口的输出电平。该寄存器的各位描述如图所示：

        在固件库中设置 ODR 寄存器的值来控制 IO 口的输出状态是通过函数 GPIO_Write 来实现的：

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

        该函数一般用来往一次性一个 GPIO 的多个端口设值。比如：

//0000 0000 0000 0001  对应 PA0-PA15  16个端口，最低位PA0
GPIO_Write(GPIOA,0X0001);//此时 PA0 输出高电平

//0000 0000 0000 0011  对应 PA0-PA15
GPIO_Write(GPIOA,0X0003);//此时 PA0 PA1 输出高电平

        3.2）BSRR 端口位设置/清除寄存器 

        BSRR 寄存器是端口位设置/清除寄存器。该寄存器和 ODR 寄存器具有类似的作用，都可以用来设置 GPIO 端口的输出位是 1 还是 0。低16位用来给端口输出高电平，高16位用来给端口输出低电平，下面我们看看该寄存器的描述如下图：

        该寄存器通过举例子可以很清楚了解它的使用方法。例如你要设置 GPIOA 的第 1 个端口值为 1，那么你只需要往寄存器 BSRR 的低 16 位对应位写 1 即可：

GPIOA->BSRR=1<<1;

         如果你要设置 GPIOA 的第 1 个端口值为 0，你只需要往寄存器高 16 位对应为写 1 即可：

GPIOA->BSRR = 1<<(16+1)

         该寄存器往相应位写 0 是无影响的，所以我们要设置某些位，我们不用管其他位的值。

        BRR 寄存器是端口位清除寄存器。该寄存器的作用跟 BSRR 的高 16 位雷同，这里就不做详细讲解。在 STM32 固件库中，通过 BSRR 和 BRR 寄存器设置 GPIO 端口输出是通过函数
GPIO_SetBits() 和函数 GPIO_ResetBits() 来完成的。

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

        在多数情况下，我们都是采用这两个函数来设置 GPIO 端口的输入和输出状态。比如我们要设置 GPIOB.5 输出 1，那么方法为：

GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);

 反之如果要设置 GPIOB.5 输出位 0，方法为：

GPIO_ResetBits (GPIOB, GPIO_Pin_5);

GPIO 相关的函数我们先讲解到这里。虽然 IO 操作步骤很简单，这里我们还是做个概括性
的总结，操作步骤为：
        1） 使能 IO 口时钟。调用函数为 RCC_APB2PeriphClockCmd()。
        2） 初始化 IO 参数。调用函数 GPIO_Init();
        3） 操作 IO。操作 IO 的方法就是上面我们讲解的方法。 

        4）复用功能输出

        “复用功能输出”中的“复用”是指 STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制，此时 GPIO 引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与 GPIO
本身的数据据寄存器都连接到双 MOS 管结构的输入中，通过图中的梯形结构作为开关切换选择。
        例如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

// GPIOB 16 个 IO 全部输出 0XFF
GPIOB->ODR = 0XFF;

        5）输入数据寄存器

        看 GPIO 结构框图的上半部分，GPIO 引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为 0、1 的数字信号，然后存储在 “输入数据寄存器 GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解 GPIO 引脚的电平状态。

// 读取 GPIOB 端口的 16 位数据值
uint16_t temp;
temp = GPIOB->IDR;

        IDR 是一个端口输入数据寄存器，只用了低 16 位。该寄存器为只读寄存器，并且只能以
16 位的形式读出。该寄存器各位的描述如图所示：

        要想知道某个 IO 口的电平状态，你只要读这个寄存器，再看某个位的状态就可以了。使用起来是比较简单的。在固件库中操作 IDR 寄存器读取 IO 端口数据是通过 GPIO_ReadInputDataBit函数实现的： 

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

         比如我要读 GPIOA.5 的电平状态，那么方法是：

GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);

         返回值是 1(Bit_SET)或者 0(Bit_RESET)。

        6）复用功能输入

        与 “复用功能输出” 模式类似，在 “复用功能输入模式” 时，GPIO 引脚的信号传输到 STM32 其它片上外设，由该外设读取引脚状态。
        同样，如我们使用 USART 串口通讯时，需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能，使 USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。

        7）模拟输入输出

        当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，用作 “模拟输入” 功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态，所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地，当 GPIO 引脚用于 DAC 作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出” 功能，DAC 的模拟信号输出就不经过双 MOS 管结构，模拟信号直接输出到引脚。

4. GPIO 工作模式

         在固件库中，GPIO 总共有 8 种细分的工作模式，4种输入：模拟输入、浮空输入、下拉输入、上拉输入；4种输出：开漏输出、推挽输出、复用开漏输出、复用推挽输出。稍加整理可以大致归类为以下三类：

        1）输入模式（模拟/浮空/上拉/下拉）

        在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 读取 I/O 状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。

• 上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。
• 浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。
• 模拟输入则用于 ADC 采集。

        2）输出模式（推挽/开漏）

        在输出模式中，推挽模式时双 MOS 管以轮流方式工作，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 可控制 I/O输出高低电平。开漏模式时，只有 N-MOS 管工作，输出数据寄存器可控制 I/O 输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有 2MHz 10MHz 50MHz 的选项。此处的输出速度即 I/O 支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。在输出模式时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 可读取 I/O的实际状态。

        3）复用功能（推挽/开漏）

        复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取 I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。
        通过对 GPIO 寄存器写入不同的参数，就可以改变 GPIO 的工作模式，再强调一下，要了解具体寄存器时一定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。在 GPIO 外设中，控制端口高低控制寄存器 CRH 和 CRL 可以配置每个 GPIO 的工作模式和工作的速度，每 4个位控制一个 IO，CRH 控制端口的高八位，CRL 控制端口的低 8 位，具体的看 CRH 和 CRL 的寄存器描述。

5. 实验—— 操作GPIO 点亮 LED 灯

5.1 硬件连接图

        从上图种可以看到，三个 LED 灯（发光二极管），阳极接 3.3 V，阴极接了一个限流电阻，再接到单片机的 IO 口上；这里的 LED 灯 一定要接限流电阻，否则会烧坏 LED 灯；至于 这个限流电阻的阻值如何计算，根据 你所买的 LED 灯的功率参数来定；比如点亮 红色 0805 LED ，一般参数是 0805 红色 LED灯，导通压降为 2V ，电流为 20mA，R = （3.3-2）/0.02 =  65 Ω；当然，这是我举的例子，计算方法，至于你手头的 LED灯，多大的功率参数，自己计算，有时候，并不是根据他们给的官方参数，可以自己试试，这个 红色 0805 LED灯，10mA 也可以点亮。

5.2 程序代码

led.h

#ifndef __LED_H
#define __LED_H	 
#include "sys.h"//宏定义位操作头文件

#define LED0_R PBout(5)// PB5
#define LED1_G PBout(6)// PB6	
#define LED2_B PBout(7)// PB7	

void led_init(void);//初始化
	 				    
#endif

led.c

#include "led.h"

//初始化PB5和PE5为输出口.并使能这两个口的时钟
//LED IO初始化
void led_init(void)
{

    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);   //使能PB端口时钟

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;               //LED0-->PB.5 端口配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;        //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;       //IO口速度为50MHz
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                  //根据设定参数初始化GPIOB.5
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);                        //PB.5 输出高

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;               //LED1-->PB.6 端口配置, 推挽输出
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                  //推挽输出 ，IO口速度为50MHz
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6);                        //PB.6 输出高

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;               //LED2-->PB.7 端口配置, 推挽输出
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                  //推挽输出 ，IO口速度为50MHz
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_7);                        //PB.7 输出高
}

main.c

/* led 灯测试实验 */
void main(void)
{
    led_init();      //初始化LED
    delay_init();    //初始化延时函数
    while (1)
    {
        LED0_R = 0;
        delay_ms(500);
        LED0_R = 1;

        LED1_G = 0;
        delay_ms(500);
        LED1_G = 1;

        LED2_B = 0;
        delay_ms(500);
        LED2_B = 1;
    }
    return 0;
}