STM32 学习（二）GPIO

目录

一、GPIO 简介

1.1 GPIO 基本结构

1.2 GPIO 位结构

1.3 GPIO 工作模式

二、GPIO 输出

三、GPIO 输入

1.1 传感器模块 

1.2 开关

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一、GPIO 简介

GPIO（General Purpose Input Output）即通用输入输出口。

1.1 GPIO 基本结构

如下图，命名为 GPIOA, GPIOB...，每个 GPIO 外设总共有 16 个引脚，编号是从 0 到 15，内部包含了寄存器和驱动器，寄存器就是一段特殊的寄存器，内核可以通过 APB2 总线对寄存器进行读写。在输出模式中，对输出寄存器写 1，对应的引脚就会输出高电平，反之则为低电平；在输入模式中，如果输入寄存器读取为 1，则表示引脚电平为高，反之则表示引脚电平低。

在 STM32 中，所有 GPIO 都是挂载在 APB2 外设总线上的： 

 

1.2 GPIO 位结构

可以分为上下两部分，上部分为输入，下部分为输出。 

右边有两个保护二极管，VDD 为 3.3V，VSS 为 0V，如果 I/O 引脚输入大于 3.3V，则二极管导通，防止损坏内部电路；当 I/O 引脚输入小于 0V 时，下方二极管导通，也可以保护电路。在 0~3.3V 之间则为正常。

下图中有一个上拉电阻至 VDD，一个下拉电阻至 VSS，而开关可以通过程序进行配置。如果上面导通，下面断开，就是上拉输入模式；如果下面导通，上面断开，则是下拉输入模式；如果两个都端口就是浮空输入模式。

上拉下拉的作用：可以给输入提供一个默认的输入电平，因为引脚如果什么都不接就会处于浮空状态，容易受到外界干扰，为了避免引脚悬空导致输入输出不确定，就需要加入上拉或下拉电阻（电路中上拉、下拉电阻的作用及原理 - 知乎）。

上图中的 TTL 施密特触发器可以对输入电压进行整形，即：如果输入大于某一阈值，输出会瞬间升为高电平；如果输入电压小于某一阈值，则输出会瞬间降为低电平。可以有效地避免因为输入信号波动而产生的输出抖动现象。经过施密特触发器整形后的波形就可以直接写入输入数据寄存器了，程序可以通过读取输入数据寄存器的值而判断引脚的电平高低。

上图中还引出了两路信号，模拟输入是连接到 ADC 上的，因为 ADC 要接收模拟量，接在施密特触发器前面；复用功能输入连接到其他需要读取端口的外设上的，接在施密特触发器后，因为需要数字量。

输出部分可以由输出数据寄存器或复用功能输出（来自片上外设）来控制。位设置\清除寄存器可以单独控制输出数据寄存器的某一位而不影响其他位，

输出控制之后接到了两个 MOS 管，MOS 管是一种电子开关，我们的信号可以控制开关的导通和关闭，开关负责将 I/O 口接入到 VDD 或 VSS。开关可以选择推挽、开漏或关闭。

在推挽模式下，P-MOS 和 N-MOS 均有效，在输出寄存器为 1 时，上管导通，下管断开，输出直接接到 VDD，也就是输出高电平；输出寄存器为 0 时，上管断开，下管导通，输出直接接到 VSS，也就是输出低电平。在这种模式下，高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽模式也叫强推输出模式。在推挽模式下，STM32 对 IO 口具有绝对的控制权。

在开漏输出模式下，P-MOS 无效，数据寄存器为 1 时，下管断开，输出相当于断开，也就是高阻模式；数据寄存器为 0 时，下管导通，输出直接接到 VSS，也就是输出低电平。也就是说高电平没有驱动能力，只有低电平才有驱动能力，开漏模式可以作为通信协议的驱动方式，比如 I2C 协议的引脚；在多机通信的情况下，这个模式可以避免各个设备的相互干扰。

在关闭模式下，两个 MOS 管均无效，也就是输出关闭，端口的电平由外部信号来控制。

1.3 GPIO 工作模式

通过配置 GPIO 端口的配置寄存器，端口可以配置成以下 8 种模式。 

根据工作模式配置的不同，上面介绍的 GPIO 位结构的电路就会根据我们的配置进行改变。 

浮空输入、上拉输入、下拉输入配置，输出开关断开，端口只能输入不能输出： 

模拟输入： 

  

LED 硬件电路有如下两种，在输出引脚驱动能力较强的时候，可以采用第二个图，如果驱动能力较弱则采用第一个图。 

蜂鸣器的硬件电路有如下两种，直接使用 IO 口驱动会导致 STM32 负担过重。

上面的图为 PNP 型三极管，左边为基级，带箭头的为发射级，剩下的为集电极。基级为低电平时，三极管导通，此时蜂鸣器工作；基级为高电平时，三极管截止，蜂鸣器无电流。

下面的图为 NPN 型三极管，基级高电平导通，低电平截止，和上面相反。

二、GPIO 输出

第一个是外设时钟控制函数， 因为我们要设置 pA0 引脚，所以第一个参数选择 RCC_APB2Periph_GPIOA。

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

第二个是 GPIO_Init 函数，需要初始化 GPIO_InitTypeDef 结构体：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

其中 GPIO_InitStruct.GPIO_Mode 用于配置 GPIO 的工作模式，有如下八种工作模式：

1. AIN （Analog In）为模拟输入；
2. IN_FLOATING 为浮空输入；
3. IPD（In Pull Down）为下拉输入；
4. IPU（In Pull Up）为上拉输入；
5. Out_OD（Out Open Drain）为开漏输出；
6. Out_PP（Out Push Pull）为推挽输出；
7. AF_OD（Alt Open Drain）为复用开漏；
8. AF_OD（Alt Push Pull）为复用推挽；

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin 用于配置引脚，如 GPIO_Pin_0 为第 0 个引脚，可以同时初始化多个引脚。

最后再使用 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct) 函数对对应 GPIO 进行初始化。

第三个是使用 GPIO 的输入输出函数： 

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

// 将指定端口设置为高电平
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 设置pA0为高电平

// 将指定端口设置为低电平
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 设置pA0为低电平

// 根据第三个参数的值来设置指定的端口
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);

// 可以同时对 16 个端口进行写入操作
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

三、GPIO 输入

1.1 传感器模块 

下图中的 C2 电容是一个滤波电容，起到平滑电压波形的作用，该电容并不是电路图中的主要部分，经过 C2 的平滑，AO 引脚输出一个模拟电压。而数字电压输出则是通过左边的 LM393 来完成，它是一个电压比较器芯片，C1 是一个电源供电的滤波电容，电压比较器是一个运算放大器，当 IN+ 和 IN- 为大于关系时，输出 DO 会上升到 VCC，小于时会下降到 GND，从而对模拟电压进行二值化，其中 IN+ 接 AO，IN- 接 到第二个可调电位器上，从而可以调节阈值。其中 N1 对应传感器（比如光敏传感器对应光敏电阻）。

1.2 开关

一般使用上面两个图，并且会使用上拉电阻来使得按键未按下时导致引脚悬空时为高电平，所以可以初始化引脚为上拉输入模式。

在 stm32 中 int 为 32 位，而在 51 中占 16 位（使用 stdint.h 可以避免这个问题，uint8_t）。 

RO-data：Read Only data，即只读数据域，它指程序中用到的只读数据，这些数据被存储在ROM区，因而程序不能被修改的内容。例如C语言中const关键字定义的变量就是典型的RO-data。

RW-data：Read Write data，即可读写数据域，它指初始化为“非0值”的可读写数据，程序刚运行时，这些数据具有非0的初始值，程序运行的时候它们又会常驻在RAM区，应用程序可以修改其内容。例如C语言中定义的全局变量，且定义时赋予“非0值”给该变量。

ZI-data：Zero Initialie data，即0初始化数据，它指初始化为“0值”的可读写数据域，它与RW-data的区别是程序刚运行时这些数据初始值全都为0，程序运行时和RW-data的性质一样，它们也常驻在RAM区，应用程序可以更改其内容。例如C语言中使用定义的全局变量，且定义时赋予“0值”给该变量(如若定义该变量时没有赋予初始值，编译器会把它当ZI-data来对待，初始化为0)；

下面是获取按键输入的程序 Key.c： 

#include "Key.h"
#include "Delay.h"

void Key_Init(void)
{
	// 配置APB2定时器使能;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	// 配置引脚;
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉输入
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 输入模式下该配置没用
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}

uint8_t Key_GetValue(void)
{
	uint8_t value = 0;
	
	if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_6) == 0)
	{
		value = 1;
	}
	else
	{
		value = 0;
	}
	
	return value;
}