STM32之GPIO的使用

一、GPIO口简介

1、   GPIO口输入输出模式

1.1 一般来说STM32的输入输出管脚有以下8种配置方式：

输入
① 浮空输入_IN_FLOATING  ——浮空输入，可以做KEY识别
② 带上拉输入_IPU          ——IO内部上拉电阻输入 
③ 带下拉输入_IPD              ——IO内部下拉电阻输入
④ 模拟输入_AIN            ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电

输出
⑤ 开漏输出_OUT_OD        ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化，实现C51的IO双向功能。
⑥ 推挽输出_OUT_PP       ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的。

复用输出
⑦ 复用功能的推挽输出_AF_PP   ——片内外设功能（I2C的SCL，SDA）

⑧ 复用功能的开漏输出_AF_OD  ——片内外设功能（TX1，MOSI，MISO，SCK，SS）


2、输入输出模式详解
一般我们平时用的最多的也就是推挽输出、开漏输出、上拉输入，介绍如下：
2.1推挽输出：
 


可以输出高，低电平，连接数字器件； 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。
推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

2.2开漏输出：
 


输出端相当于三极管的集电极。 要得到高电平状态需要上拉电阻才行。 适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强(一般20mA以内)
开漏形式的电路有以下几个特点：
1、 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。
2、 一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。（上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度 。阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。）
3、OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大；反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。
4、可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。

补充：什么是“线与”？：
在一个结点(线)上， 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D， 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上， 只要有一个晶体管饱和， 这个结点(线)就被拉到地线电平上。 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS)， 晶体管就会饱和， 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非 NOR 逻辑。 如果这个结点后面加一个反相器， 就是或 OR 逻辑。
其实可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

关于推挽输出和开漏输出，最后概括一下：
 


该图中左边的便是推挽输出模式，其中比较器输出高电平时下面的PNP三极管截止，而上面NPN三极管导通，输出电平VS+；当比较器输出低电平时则恰恰相反，PNP三极管导通，输出和地相连，为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式，需要接上拉。

2.3浮空输入 ：对于浮空输入，一直没找到很权威的解释，只好从以下图中去理解了。

 


2.4  上拉输入/下拉输入/模拟输入：这几个概念很好理解，从字面便能轻易读懂。
2.5  复用开漏输出、复用推挽输出：可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）


二、GPIO口配置
1、根据具体应用配置为输入或输出
① 作为普通GPIO输入：
根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
② 作为普通GPIO输出：
根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
③ 作为普通模拟输入：
配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
④ 作为内置外设的输入：
根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
⑤ 作为内置外设的输出：
根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。

2、输出模式下，配置速度
I/O口输出模式下，有3种输出速度可选(2MHz、10MHz和50MHz)，这个速度是指I/O口驱动电路的响应速度而不是输出信号的速度，输出信号的速度与程序有关（芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路）。通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。高频的驱动电路，噪声也高，当不需要高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI性能。当然如果要输出较高频率的信号，但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到失真的输出信号。关键是GPIO的引脚速度跟应用匹配。
2.1     对于串口，假如最大波特率只需115.2k，那么用2M的GPIO的引脚速就够
了，既省电也噪声小。
2.2    对于I2C接口，假如使用400k波特率，若想把余量留大些，那么用2M的
GPIO的引脚速度或许不够，这时可以选用10M的GPIO引脚速度。
2.3    对于SPI接口，假如使用18M或9M波特率，用10M的GPIO的引脚速度显然不够了，需要选用50M的GPIO的引脚速度。
3、GPIO口初始化
①使能GPIO口的时钟 ②配置模式设置（8种模式）
    STM32的GPIO的时钟统一挂接在APB2上，具体的使能寄存器为RCC_APB2ENR该寄存器的第2位到第8位分别控制GPIOx（x=A,B,C,D,E,F,G)端口的时钟使能。
如打开PORTA时钟  RCC->APB2ENR|=1<<2;    //使能PORTA时钟
如果把端口配置成复用输出功能，则还需开始复用端口时钟，并进行相应配置。 

4、GPIO配置寄存器
GPIO口配置是通过配置寄存器来进行的，每个GPIO 端口有：
两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)分别控制每个端口的高八位和低八位。如果IO口是0-7号的话，则写CRL寄存器；如果IO口是8-15号的话，则写CRH寄存器。
两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR，GPIOx_ODR)一个是只读作输入数据寄存器，一个是只写作输出寄存器。
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)。
常用的IO端口寄存器只有四个：CRH，CRL，IDR，ODR。
数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征。 GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。每个I/O端口位可以自由编程，然而I/0端口寄存器必须按32位字被访问(不允许半字或字节访问)。 另外，STM32的每个端口使用前都要将其时钟使能，STM32的GPIO的时钟统一挂接在APB2上，具体的使能寄存器为RCC_APB2ENR，该寄存器的第2位到第8位分别控制GPIOx（x=A,B,C,D,E,F,G)端口的时钟使能，当外设时钟没有启用时，程序不能读出外设寄存器的数值，如打开PORTA时钟：  RCC->APB2ENR|=1<<2;    //使能PORTA时钟

总结一下GPIO功能：
1、通用I/O(GPIO)：最基本的功能，可以驱动LED、可以产生PWM、可以驱动蜂鸣器等等；
2、单独的位设置或位清除：方便软体作业，程序简单。端口配置好以后只需GPIO_SetBits(GPIOx，GPIO_Pin_x)就可以实现对GPIOx的pinx位为高电平；
3、所有端口都有外部中断能力：端口必须配置成输入模式，所有端口都有外部中断能力；
4、复用功能(AF)：复用功能的端口兼有IO功能等。复位期间和刚复位后，复用功能未开启，I/O 端口被配置成浮空输入模式。
5、 软件重新映射I/O复用功能：为了使不同器件封装的外设I/O 功能的数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一些脚上。这可以通过软件配置相应的寄存器来完成。这时，复用功能就不再映射到它们的原始引脚上了。
6、 GPIO锁定机制：当在一个端口位上执行了所定(LOCK)程序，在下一次复位之前，将不能再更改端口位的配置。

5、GPIO寄存器详解
参见《STM32F10X中文手册》
GPIO基本设置
GPIOMode_TypeDefGPIOmode    定义及偏移地址
GPIO_Mode_AIN=0x0,     //模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING=0x04, //悬空输入
GPIO_Mode_IPD=0x28,    //下拉输入
GPIO_Mode_IPU=0x48,    //上拉输入
GPIO_Mode_Out_OD=0x14, //开漏输出
GPIO_Mode_Out_PP=0x10, //推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD=0x1C,   //开漏复用
GPIO_Mode_AF_PP=0x18    //推挽复用
GPIO输入输出速度选择：
typedefenum
{
GPIO_Speed_10MHz=1,
GPIO_Speed_2MHz,
GPIO_Speed_50MHz
}
GPIOSpeed_TypeDef;
#defineIS_GPIO_SPEED(SPEED)((SPEED == GPIO_Speed_10MHz) ||
(SPEED==GPIO_Speed_2MHz) || (SPEED == GPIO_Speed_50MHz))


6、GPIO输出的试验
这里利用ST固件库，就不需要自己对照配置寄存器写代码，直接利用库函数，非常方便。

main.c

·        /*****************************************************************************

·          *   main.c

·          *   http://www.veryarm.cn

·          *   V1.0.0

·          *   04-27-2013

·          *

·          *   http://veryarm.taobao.com

·        ******************************************************************************

·          *

·          *

·          *

·        *****************************************************************************/

·        /* Includes------------------------------------------------------------------*/

·        #include "stm32f10x.h"

·        #include "led.h"

·        /* Privatedefine------------------------------------------------------------*/

·        /* Declare Private functions-------------------------------------------------*/

·        void Delay(u32 d_time);

·        /* Mainfunctions------------------------------------------------------------*/

·        int main(void)

·        {

·                 LED_Init();

·                 while(1)

·                 {

·                          GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9);

·                          Delay(3000000);

·                          GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9);

·                          Delay(3000000);

·                 }

·        }

·        /* Define Privatefunctions-------------------------------------------------*/

·        void Delay(u32 d_time)

·        {

·                 for(;d_time>0;d_time--);

·        }

·        /************************ (C) COPYRIGHTwww.veryarm.cn*********END OF FILE****/

复制代码
led.h

·        #ifndef __LED_H

·        #define __LED_H

·        #include"sys.h"

·        void  LED_Init(void);

·        #endif

复制代码
led.c

·        #include"led.h"

·        //LED IO初始化

·        void LED_Init(void)

·        {

·               GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

·               RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOF,ENABLE);

·               GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9;

·               GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

·               GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

·               GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_InitStructure);

·               GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9);

·        }

·