【STM32】：GPIO工作原理

前言

时不可以苟遇，道不可以虚行。

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一、GPIO 基本结构和工作方式

• IO口引脚
• stm32的大部分引脚除了当GPIO使用外，还可以复用为外设功能引脚（比如串口）

1、GPIO 的工作方式

• 四种输入模式：

1. 输入浮空 (_IN_FLOATING_)
2. 输入上拉 (In Pull Up：IPU)
3. 输入下拉 (In Pull Down：IPD)
4. 模拟输入 (AIN：Analog In)

• 四种输出模式：

1. 开漏输出（带上拉或者下拉）：_Out_OD_(Out Open Drain)
2. 开漏复用功能（带上拉或者下拉）：AF_OD
3. 推挽式输出（带上拉或者下拉）：Out_PP(Out Push Pull)，点灯
4. 推挽式复用功能（带上拉或者下拉）：AF_PP

• 四种最大速度：

1. 2 MHz
2. 25 MHz
3. 50 MHz
4. 100 MHz

• 推挽输出：可以输出强高低电平，连接数字器件
• 开漏输出：只可以输出强低电平，高电平得靠外部电阻拉高。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，适合做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般在 20 MA 以内）

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二、GPIO寄存器说明

GPIO 相关配置寄存器：

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3、STM32F4xx GPIO 引脚说明

- 端口复用

• STM32F4 的大部分端口都具有复用功能。

  所谓复用，就是一些端口不仅仅可以做为通用的 IO 口，还可以复用为一些外设引脚，比如：PA9、PA10 可以复用为 STM32F4 的串口 1 引脚。

• 作用：最大限度的利用端口资源。

- 所有 IO 口都可以作为中断输入

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四、GPIO 库函数介绍

库函数代码：

• main.c：

#include "stm32f4xx.h"
#include "LED.h"
#include "delay.h"

/** 库函数版本 **/
int main(void)
{
	delay_init(168);
	
	LED_Init();
	
	while(1)
	{
		GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);
		GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10);
		delay_ms(500);
		
		GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10);
		GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);
		delay_ms(500);
	}
}

• LED.c：

#include "LED.h"

/** 库函数版本 **/
void LED_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF,ENABLE);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	
	GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10);
}

• LED.h：

#ifndef _LED_H_
#define _LED_H_

#include "stm32f4xx.h"

void LED_Init(void);

#endif

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五、寄存器配置

寄存器代码：

• main.c：

#include "stm32f4xx.h"
#include "LED.h"
#include "delay.h"

/** 寄存器版本 **/
int main(void)
{
	delay_init(168);
	LED_Init();
	
	while(1)
	{
		GPIOF->ODR &= 1 << 9;	//PF9:0
		GPIOF->ODR &= 1 << 10;	//PF10:0
		delay_ms(500);
		
		GPIOF->ODR |= 1 << 9;	//PF9:1
		GPIOF->ODR |= 1 << 10;	//PF10:1
		delay_ms(500);
	}
}

• LED.c：

#include "LED.h"

/** 寄存器版本 **/
void LED_Init(void)
{
	RCC->AHB1ENR |= 1 << 5;		// 1 左移 5 位，将寄存器的第五位设置为1，其他位不变
	
	//PF9
	// 11 = 3，左移18（2*9）位，然后再取反，将MODER寄存器的18、19位清零，其他位不变
	GPIOF->MODER &= ~(3 << 2*9);
	// 01(通用输出功能) = 1，左移18（2*9）位，将MODER寄存器的19、18位置为01，其他位不变
	GPIOF->MODER |= 1 << (2*9);
	
	// 11 = 3，左移18（2*9）位，然后再取反，将OSPEEDR寄存器的18、19位清零，其他位不变
	GPIOF->OSPEEDR &= ~(3 << 2*9);
	// 10(50MHz：快速) = 2，左移18（2*9）位，将OSPEEDR寄存器的19、18位置为10，其他位不变
	GPIOF->OSPEEDR |= 2 << (2*9);
	
	
	GPIOF->OTYPER &= ~(1 << 9);
	GPIOF->OTYPER |= 0 << 9;
	
	// 11 = 3，左移18（2*9）位，然后再取反，将PUPDR寄存器的18、19位清零，其他位不变
	GPIOF->PUPDR &= ~(3 << 2*9);
	// 01(上拉) = 1，左移18（2*9）位，将PUPDR寄存器的19、18位置为01，其他位不变
	GPIOF->PUPDR |= 1 << (2*9);
	
	//输出高低电平：使用ODR寄存器
	GPIOF->ODR |= 1 << 9;	//1
	//GPIOF->ODR &= 1 << 9;	//0
	
	//PF10
	GPIOF->MODER &= ~(3 << 2*10);
	GPIOF->MODER |= 1 << (2*10);
	
	GPIOF->OSPEEDR &= ~(3 << 2*10);
	GPIOF->OSPEEDR |= 2 << (2*10);
	
	GPIOF->OTYPER &= ~(1 << 10);
	GPIOF->OTYPER |= 0 << 10;
	
	GPIOF->PUPDR &= ~(3 << 2*10);
	GPIOF->PUPDR |= 1 << (2*10);
	
	GPIOF->ODR |= 1 << 10;	//1
}

• LED.h：

#ifndef _LED_H_
#define _LED_H_

#include "stm32f4xx.h"

void LED_Init(void);

#endif

六、位操作

1、位操作基本原理

位带操作简单的说，就是 把每个比特膨胀为一个 32 位的字，当访问这些字的时候就达到了访问比特的目的，比如说 GPIO 的 ODR 寄存器有 32 个位，那么可以映射到 32 个地址上，我们去访问这 32 个地址就达到访问 32 个比特的目的。这样我们往某个地址写 1 就达到往对应比特位写 1 的目的，同样往某个地址写 0 就达到往对应的比特位写 0 的目的。

映射关系

• 位带区：支持位带操作的地址区
• 位带别名：对别名地址的访问最终作用到位带区的访问上

支持位带操作的两个内存区的范围是：

• 0x2000_0000 ~ 0x200F_FFFF （SRAM 区中的最低 1 MB）
• 0x4000_0000 ~ 0x400F_FFFF （片上外设区中最低 1 MB）

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对于 SRAM 位带区的某个比特，记它所在字节地址为 A，位序号为 n（0 <= n <= 7），则该比特在别名区的地址为：

对于 片上外设 位带区的某个比特，记它所在字节地址为 A，位序号为 n（0 <= n <= 7），则该比特在别名区的地址为：

位带操作代码：

• main.c：

#include "stm32f4xx.h"
#include "LED.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"

/** 位带操作版本 **/
int main(void)
{
	delay_init(168);
	LED_Init();
	
	while(1)
	{
		PFout(9) = 1;
		PFout(10) = 1;
		delay_ms(500);
		
		PFout(9) = 0;
		PFout(10) = 0;
		delay_ms(500);
	}
}