STM32学习笔记(三) —— GPIO点亮LED

1.GPIO简介

GPIO，全称是General-purpose input/output（通用输入输出）。在单片机中是表示能被控制的引脚，能检测输入信号的高低电平，也能输出高低电平控制外部设备。STM32F103RCT6一共有64个引脚，其中有51个GPIO，其他引脚分别是电源、地、一个复位引脚以及一个BOOT引脚。这51个GPIO被分为不同的组，比如PAx、PBx、PCx等，每组一般是16个GPIO。又因为单片机功能很强大，集成了很多外设（比如UART、I2C、SPI等），但引脚有限，所以一般每个GPIO能复用成好几种功能，对于哪个引脚可以用作哪些功能可以通过查阅数据手册得知。比如PC3引脚，它是第11脚，引脚名称是PC3，可以作为GPIO（PC3），也可以用作ADC的输入引脚

2.GPIO 结构

图中所示是GPIO基本的内部控制框图，总体分为输入与输出两部分。每个GPIO端口都可以用对应的寄存器来控制其状态。

3.GPIO 模式

输入浮空，输入引脚内部不进行上下拉
输入上拉，输入引脚内部上拉
输入下拉，输入引脚内部下拉
模拟输入，一般用于模拟量输入，比如ADC输入
开漏输出，引脚只能输出电平，不能输出高电平，可以用于线与功能
推挽输出，既能输出高电平也能输出低电平
推挽复用功能，引脚被其他外设接管（比如UART），能输出高低电平
开漏复用功能，引脚被其他外设接管（比如I2C），只能输出低电平

4.GPIO 寄存器

GPIO寄存器就是来控制GPIO的功能及行为的，可以将GPIO配置成上述列出的各种模式，让GPIO检测输入的信号或者控制其输出高电平或者低电平等
每个GPIO有以下几种寄存器

两个32位配置寄存器	GPIOx_CRL and GPIOx_CRH
两个32位数据寄存器	GPIOx_IDR and GPIOx_ODR
一个32位置位/复位寄存器	GPIOx_BSRR
一个16位复位寄存器	GPIOx_BRR
一个32位锁定寄存器	GPIOx_LCKR

4.1 GPIOx_CRL and GPIOx_CRH寄存器

GPIOx_CRH寄存器与GPIOx_CRL寄存器类似，只不过GPIOx_CRL寄存器用于控制每组GPIO的0-7个引脚，GPIOx_CRH寄存器用于控制每组GPIO的8-15个引脚，这里重点分析GPIOx_CRL寄存器

上图是参考手册中的GPIOx_CRL寄存器描述。可以看到这32个位都是由CNFy[1:0] - MODEy[1:0]重复组成（其中，y = 0,1,2…7）。每一对CNFy - MODEy（占4个位）用来配置一个GPIO，CNF0 - MODE0用来控制GPIO0，CNF1 - MODE1用来控制GPIO1，依次类推。所以GPIOx_CRL（共32个位）可以控制GPIO0 - 7这8个引脚，GPIOx_CRH用来控制GPIO8 - 15这8个引脚。GPIO属于哪一组由GPIOx_CRL/H中的x指定（x = A,B,C…）。

MODEy[1:0]用于选择GPIO是输入模式还是输出模式，如果是输出模式可以指定输出的最大速率
CNFy[1:0]用于选择GPIO的工作模式（输入浮空、输入上拉、输入下拉…）

比如配置PC5引脚为推挽输出，输出速率2MHz：
1° PC5属于C组引脚，应该选择GPIOC_CRL或者GPIOC_CRH寄存器
2° PC5是C组第5个引脚，每组0-7这8个引脚用GPIOx_CRL寄存器配置，每组8-15这8个引脚用GPIOx_CRH寄存器配置，应该选择GPIOC_CRL寄存器
3° 配置GPIOC_CRL寄存器中的第20 -23位（CNF5 - MODE5）

/*
0x03是十六进制
换成二进制是11，用32位来表示就是11前面加30个0
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011
左移20位得到
0000 0011 0000 0000 0000 0000 0000 0000
按位取反得到
1111 1100 1111 1111 1111 1111 1111 1111，两个0的位置对应的就是第20 - 21位，也就是MODE5[1:0]
将上面的值与原来的值进行按位与操作就会将MODE5[1:0]清零
*/
GPIOC->CRL &= ~((uint32_t)0x03 << 20); //将 MODE5[1:0] 清0
/*
同理，将0x02 << 20位后再与原来的值按位或就可以将MODE5[1:0]配置为10
GPIOC_CRL寄存器一共有32个位，上述这样赋值的好处是不会干扰其他位的值，只对需要修改的位进行修改
*/
GPIOC->CRL |=  ((uint32_t)0x02 << 20); //将 MODE5[1:0] 配置为10 输出模式，最大速率2MHz
GPIOC->CRL &= ~((uint32_t)0x03 << 22); //将 CNF5[1:0] 清0
/* 上一步已经清0，如果还要配置为0，这一步可以不要 */
GPIOC->CRL |=  ((uint32_t)0x00 << 22); //将 CNF5[1:0] 配置为00 通用推挽输出模式

4.2 GPIOx_IDR and GPIOx_ODR寄存器

GPIOx_IDR寄存器与GPIOx_ODR寄存器类似，只不过GPIOx_IDR寄存器用于读取GPIO口电平状态且各寄存器位只能读不能写（也不需要写），GPIOx_ODR用于控制GPIO口输出电平状态

从GPIOx_ODR寄存器描述中可以看到， 32位寄存器的高16位是保留的，低16位用于控制GPIO口的电平输出。每一个ODRy用于控制一个GPIO，ODR0用于控制GPIO0，ODR1用于控制GPIO1，依次类推。所以GPIOx_ODR的低16位就足以控制一组GPIO，GPIO属于哪一组由GPIOx_ODR中的x指定（x = A,B,C…）。

ODRy置1对应的GPIO会输出1（高电平），ODRy清0对应的GPIO会输出0（低电平）

比如配置PC5引脚输出0（低电平）/1（高电平）：
1° PC5属于C组引脚，应该选择GPIOC_ODR寄存器
2° 配置GPIOC_ODR寄存器中的第5位（ODR5）

/* PC5引脚输出0（低电平） */
GPIOC->ODR &= ~((uint16_t)0x01 << 5); //将ODR5清0

/* PC5引脚输出1（高电平） */
GPIOC->ODR |= ((uint16_t)0x01 << 5); //将ODR5置1

4.3 GPIOx_BSRR寄存器

在GPIOx_BSRR寄存器中，有两种类型的控制位，一种是BRy（高16位），一种是BSy（低16位），最终都是用于控制GPIOx_ODR寄存器。每一个BRy/BSy用于控制一个对应的ODRy位，BR0/BS0用于控制ODR0，BR1/BS1用于控制ODR1，依次类推。而GPIOx_ODR寄存器最终是控制GPIO输出电平状态的，所以可以等效认为BRy/BSy控制的是GPIO输出电平状态，BR0/BS0用于控制GPIO0，BR1/BS1用于控制GPIO1，依次类推。

BRy：写0不会对GPIO输出电平产生影响，置1使对应的GPIO输出低电平
BSy：写0不会对GPIO输出电平产生影响， 置1使对应的GPIO输出高电平

比如配置PC5引脚输出0（低电平）/1（高电平）：
1° PC5属于C组引脚，应该选择GPIOC_BSRR寄存器
2° 要输出低电平应该选择BRy位，PC5是C组的第5个引脚，应该选择BR5位；要输出高电平应该选择BSy位，PC5应该选择BS5位
3° 配置GPIOC_BSRR寄存器中的第21位（BR5）/第5位（BS5）

/* PC5引脚输出0（低电平） */
/* 0x01 << 5是定位到第5个GPIO，再左移16是定位到BRy位，因为BRy位是GPIOx_BSRR寄存器的高16位 */
GPIOC->BSRR = (((uint32_t)0x01 << 5) << 16);

/* PC5引脚输出1（高电平） */
GPIOC->BSRR = ((uint32_t)0x01 << 5);

4.4 GPIOx_BRR寄存器

GPIOx_BRR寄存器也是用于控制GPIOx_ODR寄存器，与GPIOx_BSRR寄存器中的BRy位功能相同，这里也可以认为是直接控制GPIO输出电平状态的，只能让对应的GPIO输出低电平

比如配置PC5引脚输出0（低电平）：
1° PC5属于C组引脚，应该选择GPIOC_BRR寄存器
2° 配置GPIOC_BRR寄存器中的第5位（BR5）

/* PC5引脚输出0（低电平） */
GPIOC->BRR = ((uint16_t)0x01 << 5);

4.5 GPIOx_LCKR寄存器

GPIOx_LCKR寄存器可以锁定GPIOx_CRL与GPIOx_CRH寄存器的配置，一旦对相应的GPIO被锁定后，在下次系统复位之前将不能再更改对应的GPIOx_CRL与GPIOx_CRH寄存器。

锁键写入序列：
对LCKK位 写1 -> 写0 -> 写1 -> 读0 -> 读1，并且在进行写入序列时不能更改LCK[15:0]位的值
最后一个读1可以省略，但可以用来确认锁键已被激活

比如要锁定PC5的配置寄存器（GPIOC_CRL and GPIOC_CRH）：

uint32_t xReturn = 0x00;
/* 0x01 << 16 是对LCKK位写1，0x01 << 5 是对LCK5位置1（对PC5的配置寄存器进行锁定） */
GPIOC->LCKR = ((uint16_t)0x01 << 16 | (uint16_t)0x01 << 5);
/* 对LCKK位写1，同时LCK5位的值不变 */
GPIOC->LCKR = ((uint16_t)0x01 <<5);
/* 对LCKK位写1，同时LCK5位的值不变 */
GPIOC->LCKR = ((uint16_t)0x01 << 16 | (uint16_t)0x01 << 5);
/* 读0 */
xReturn = GPIOC->LCKR;
/* 读1 */
xReturn = GPIOC->LCKR;

if(xReturn & ((uint16_t)0x01 << 16)) {
	printf("PC5 has been locked\r\n");
}

当PC5的配置寄存器被锁定后，在下次系统复位之前都不能再更改。如果需要继续锁定其他GPIO，可针对对应的GPIO再次重复上述写序列。

上述对GPIO寄存器进行了一个比较完整的分析，对于其他外设，也同样是操作对应的外设寄存器来实现相应的功能，至于每个外设的寄存器描述可以查阅参考手册。由于STM32寄存器比较多，我们在实际应用时一般很少使用寄存器编程，更多的是使用库编程，后续我们采用HAL库编程的方式进行功能验证

5.硬件连接

我们开发板上将LED引脚接在单片机的PB1引脚上。当PB1输出高电平时，LED不亮；当PB1输出低电平时，LED点亮。开发板完整的原理图可以在HAL库工程模板这一章节的最后，百度网盘链接分享处获取

6.寄存器软件编程

1° 这里的PB1引脚是当作普通引脚来使用，所以不能配置成开漏复用或者推挽复用，又要求PB1能输出高低电平，所以要配置成通用推挽输出模式，这里要求的速率不高，可以配置成最大输出速率2MHz就可以。（那为什么不能配置成输入模式呢，因为输入模式下的引脚状态是由外部决定的，内部可以去读取外部引脚状态。我们这里要求PB1引脚既要有高电平也要有低电平，即使外部能让PB1引脚在高低电平之间转换，也不一定是单片机内部程序可控的，所以不能用输入模式。）
2° 在while循环中将LED点亮500ms再熄灭500ms，依次循环。500ms延时可以使用HAL_Delay(500)来实现。

在编程之前，我们还要知道要使用某一个外设功能时，要先打开外设的时钟，时钟的开启在参考手册中RCC（复位和时钟控制）那一章，通过查阅手册可以发现GPIOB的时钟使能位在RCC_APB2ENR寄存器中的第3位

将RCC_APB2ENR寄存器中的第3位置1就可以开启GPIOC的时钟，其他外设时钟的开启也是类似的。

开启GPIOC时钟代码：

RCC_APB2ENR |= ((uint16_t)0x01 << 3); //开启GPIOB时钟

在上一节调试串口的基础上增加以下代码：

/* 在while循环之前添加以下初始化代码 */
RCC->APB2ENR |=  ((uint16_t)0x01 << 3 ); //开启GPIOB时钟
/* 配置PB1为通用推挽输出模式，输出速率设置为2MHz */
GPIOB->CRL &= ~((uint32_t)0x03 << 4); //将 MODE1[1:0] 清0
GPIOB->CRL |=  ((uint32_t)0x02 << 4); //将 MODE1[1:0] 配置为10 输出模式，最大速率2MHz
GPIOB->CRL &= ~((uint32_t)0x03 << 6); //将 CNF1[1:0]  清0
GPIOB->CRL |=  ((uint32_t)0x00 << 6); //将 CNF1[1:0]  配置为00 通用推挽输出模式

/* PB1引脚输出1（高电平），默认熄灭LED */
GPIOB->BSRR = ((uint32_t)0x01 << 1); //这里也可以使用ODR寄存器

/* while循环中控制LED亮灭代码 */
while(1)
{
  /* PB1引脚输出0（低电平）点亮LED */
  GPIOB->BSRR = (((uint32_t)0x01 << 1) << 16); //这里也可以使用BRR寄存器、ODR寄存器
  /* 延时 */
  HAL_Delay(500);
    
  /* PB1引脚输出1（高电平）熄灭LED */
  GPIOB->BSRR = ((uint32_t)0x01 << 1); //这里也可以使用ODR寄存器
  /* 延时 */
  HAL_Delay(500);
}

将程序下载到开发板，发现LED会以500ms的间隔不停闪烁。

上述我们使用的是寄存器来实现LED亮灭的功能的，下面我们使用STM32CubeMX来配置HAL库实现LED亮灭功能。

7.HAL库软件编程

使用STM32CubeMX打开工程文件

按下图所示找到PB1引脚，点击后在弹出的选项中选择GPIO_Output

按下图配置PB1引脚

生成代码后，可以发现在gpio.c文件中已经配置好了PB1引脚：

void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  /* 开启GPIO时钟 */
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  /* 开启GPIOB时钟 */
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /* 这里将PB1引脚默认输出高电平 */
  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  /* 这里是PB1引脚，我们给他定义了一个标签LED，所以他显示LED_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LED_Pin; //在main.h中有定义：#define LED_Pin GPIO_PIN_1
  /* 推挽输出模式 */
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  /* 无上下拉 */
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  /* 输出速率选择 */
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  /* 调用HAL_GPIO_Init对PC5进行初始化 */
  HAL_GPIO_Init(LED_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct); //在main.h中有定义：#define LED_GPIO_Port GPIOB
}

以上就是STM32CubeMX对PB1引脚做的初始化配置，并且会在main函数中调用初始化配置函数MX_GPIO_Init()。对于如何使用这个引脚是由我们自己实现的，不过有相关的库函数可供我们调用，这些函数可以在对应外设的头文件中查找。比如GPIO相关的接口函数可以在stm32f1xx_hal_gpio.h中找到

我们上述初始化PC5引脚时调用的就是HAL_GPIO_Init函数，如果需要让PC5引脚输出高低电平可以调用
HAL_GPIO_WritePin函数。在对应外设的源文件中可以找到相关函数，函数定义上方有注释说明函数各个参数的含义。比如在stm32f1xx_hal_gpio.c中的HAL_GPIO_WritePin函数

第一个参数是指定哪一组GPIO，我们使用PB1，是B组，就是GPIOB；
第二个参数是指定哪一个引脚，我们使用PB1是C组第1个引脚，就是GPIO_PIN_1；
第三个参数是指要在引脚上输出的电平状态，GPIO_PIN_RESET是输出低电平，GPIO_PIN_SET是输出高电平。

那我们要让LED灯亮灭时就可以调用HAL_GPIO_WritePin函数，我们在while函数中编程：

/* while循环中控制LED亮灭代码 */
while(1)
{
    /* PB1引脚输出0（低电平）点亮LED */
    HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    /* 延时 */
    HAL_Delay(500);
        
    /* PB1引脚输出1（高电平）熄灭LED */
    HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET);
    /* 延时 */
    HAL_Delay(500);
}

将程序下载到开发板后，发现LED会以500ms的间隔不停闪烁。

本例程代码可以在HAL库工程模板这一章节的最后，百度网盘链接分享处获取

以上是通过开发板进行实际验证的，下面使用软件仿真，

我们首先进入调试界面( 前面章节有提到，所以本篇以及后续章节都不再重复提及 )，按下图所示打开逻辑分析仪

点击 Setup…

添加PB1端口

选择显示类型为Bit

点击Close就可以在逻辑分析仪中看到我们添加的PB1端口

点击全速运行后，就可以看到PB1的波形，每隔500ms翻转一次状态( 高低电平 )

注：逻辑分析仪中每一隔代表的时间间隔，可以通过，先将鼠标光标移到波形区域，使用鼠标中的滚轮滚动调节