STM32F4X之GPIO

一、GPIO概述

主控芯片信息如下：

• 主频：168MHZ
• 内核：ARM-M4
• FLASH:1M
• SRAM:192KB
• 引脚：100
• GPIO:82
• 电压：1.8~3.6V

 1.1GPIO概念及其作用

GPIO概念：通用输入输出(General Purpose Input Output)，主要作用是与外部器件或设备进行数据交流和信息交换。

注意：

芯片管脚和GPIO的区别：管脚不一定是GPIO口，但是GPIO(IO)口一定是管脚。

芯片管脚：STM32F407VGT6总共100管脚，其中GPIO口82个。

1.2GPIO口的管理与控制

1PORT:端口/组 每组16个IO口

GPIO口的4种工作模式

• 输出
• 输入
• 模拟
• 复用

以上4大模式可以划分为八种功能：

(1)输入浮空

(2)输入上拉

(3)输入下拉

(4)模拟功能

(5)具有上拉或下拉功能的开漏输出情况下。

(6)具有上拉或下拉功能的推挽输出。

(7)具有上拉或下拉功能的复用功能推挽。

(8)具有上拉或下拉功能的复用功能开漏。

注意：GPIO的以上8中功能由芯片内部的GPIO控制器控制

二、GPIO口框架分析

整体框架图分析

输出框架分析

GPIO口配置为输出模式时信号传输方向：芯片内部到芯片外部

是否打开弱上拉电阻和下拉电阻 ，取决于GPIOx_PUPDR 寄存器中的值。

补充：

①上拉：一个管脚接一个电阻的一端，电阻的另一端接到电源。

上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的即拉电流。

 ②下拉：一个管脚接一个电阻的一端，电阻的另一端接到地，电阻同时起限流作用！

1. 当选择的是推挽功能：输出控制的输入源输入了一个“1”，P-MOS管导通，N-MOS管不导通，由于P-MOS管导通以后输出的IO口与VDD连接，这时输出高电平。输出控制的输入源输入了一个“0”，P-MOS管不导通，N-MOS管导通以后输出的IO口与VSS连接，这个时候输出低电平。

重点：在推挽输出模式下，可以输出高电平(逻辑1)与低电平(逻辑0)。

应用：需要驱动能力强的地方：如驱动LED灯、驱动三极管、驱动蜂鸣器、通信协议中的时钟线或输出数据线。

1. 当选择的是开漏功能的时候：输出控制的输入源输入一个“1”，P-MOS管和N-MOS管都不工作，这个时候输出什么电平状态不确定，取决于外部电路。输出控制的输入源输入一个“0”，P-MOS管不工作，N-MOS管导通，IO口输出低电平。

重点：在开漏输出模式下，可以输出低电平(逻辑0)但是不能输出高电平(逻辑1)。

注意：在使用开漏的情况下也可以输出高点平，但是必须外接上拉才可以。

应用: 一般在通信协议(IIC，单总线)中的输入数据线。

芯片内部有上拉与下拉；并且内部上拉与下拉都有独立开关控制。内部上下拉都是弱上下拉{上下拉电阻阻值不一样而已，如果想要输出能力强必须外接上下拉。

注意：

当配置为GPIO口配置为输出时，输入部分依然可以正常工作。

输入框架分析

信号传输方向：芯片外部到芯片内部

 GPIO口配置为输入模式：

1. 输出缓冲器被关闭即输出功能断开了。
2. 根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否打开上拉和下拉电阻.。

输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态.即要获取IO端口的高点电平，直接读取输入数据寄存器即可。

IO口来的信号经过施密特触发器，这个时候外部的模拟量就转成了数字量(逻辑电平)。并且这个数字量会被存储到输入数据寄存器.

IO口作为输入情况时，IO口的输出部分已经关闭。

根据要不要使用上下拉将输入分为以下三种情况：

浮空输入模式：即不采用上下拉，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在无信号输入的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

注意: 在I/O引脚悬空时，接电阻就是为了防止输入端悬空，从而提高系统的抗干扰能力。减弱外部电流对芯片产生的干扰.

上拉输入模式：即采用上拉电阻。在无信号输入的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；此模式下可以检测到外部低电平。

下拉输入模式：即采用下拉电阻。在无信号输入的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；此模式下可以检测到外部高电平。

三、GPIO口相关寄存器分析

一 内存映射：将芯片内存空间分配的过程。

FLASH:0X080000000~0X080FFFFFF =1M

SRAM:CCM+112SRMA+16SRAM = 192KB

注意：CCM专门给内核使用的高速SRAM。

112SRMA+16SRAM = 128KB组成如下：

FLASH数据空间组成：

寄存器映射：将一段具体的内存空间分配给某一个外设使用的的过程。
1.寄存器：寄存器就是一个变量，只不过这个变量的地址固定，变量名固定,也是一个全局变量。
寄存器可以同时被内部电路和外部电路或软件访问，CPU中的寄存器就是其中一种，作为软硬件的接口，广泛的应用在单片机电路中。
2寄存器的特点：
(1)寄存器地址是在芯片中固定好的即和相关硬件绑定在一起的，当向该寄存器写入不同的数据时，硬件的状态会跟随寄存器的数据改变而改变。{重点}
(2)通过寄存器的名字访问每个寄存器。  
3寄存器的操作：
寄存器赋值：寄存器名 = 值；
读寄存器的值：变量名 = 寄存器名。
4每个通用 I/O 组包括10个寄存器如下描述：
4 个 32 位配置寄存器（ GPIOx_MODER、 GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR 和 GPIOx_PUPDR）、
2 个 32 位数据寄存器（GPIOx_IDR 和GPIOx_ODR）、
1 个 32 位置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)、 
1 个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR) 
2 个 32 位复用功能选择寄存器（ GPIOx_AFRH 和 GPIOx_AFRL）。

寄存器的访问方式

GPIOA

#define GPIOA             ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)

#define GPIOA_BASE        (AHB1PERIPH_BASE + 0x0000)

#define AHB1PERIPH_BASE   (PERIPH_BASE + 0x00020000)

#define PERIPH_BASE       ((uint32_t)0x40000000)

typedef struct

{

  __IO uint32_t MODER;  

  __IO uint32_t OTYPER; 

  __IO uint32_t OSPEEDR;

  __IO uint32_t PUPDR;  

  __IO uint32_t IDR;    

  __IO uint32_t ODR;    

  __IO uint16_t BSRRL;  

  __IO uint16_t BSRRH;  

  __IO uint32_t LCKR;   

  __IO uint32_t AFR[2]; 

} GPIO_TypeDef;

GPIOA   0x40000000+0x00020000+ 0x0000 = (GPIO_TypeDef *) 0x40020000

可以看出ST将寄存器封装在结构体中，并强行转为结构体指针

所以可以使用结构体指针访问结构体成员，也就是寄存器（适用于所有的外设：GPIO UART….）

GPIOA->ODR

GPIOA->IDR

STM32F407VGT6的GPIO相关的寄存器有以下几个：

GPIO 端口模式寄存器 (GPIOx_MODER) (x = A..I)(GPIOA_MODER地址：0x4002 0000)

MODERy[1:0]：端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0..15)

这些位通过软件写入，用于配置 I/O 方向模式。

00：输入（复位状态）

01：通用输出模式

10：复用功能模式

11：模拟模式

举例PC4:配置为输出模式如何配置？？？

GPIOC->MODER &=~(3 << (4*2));

GPIOC->MODER |=0X1 << (4*2);

GPIO 端口输出类型寄存器 (GPIOx_OTYPER) (x = A..I)

位 31:16 保留，必须保持复位值。

位 15:0 OTy[1:0]：端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0..15)

这些位通过软件写入，用于配置 I/O 端口的输出类型。

0：输出推挽（复位状态）

1：输出开漏

举例PC4:配置为推挽类型 如何配置？？？

GPIOC->OTYPER &=~(0X1 << 4);//推挽输出

GPIO 端口输出速度寄存器 (GPIOx_OSPEEDR) (x = A..I/)

OSPEEDRy[1:0]：端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0..15)

这些位通过软件写入，用于配置 I/O 输出速度。

00：2 MHz（低速）

01：25 MHz（中速）

10：50 MHz（快速）

11：30 pF 时为 100 MHz（高速）（15 pF 时为 80 MHz 输出（最大速度））

配置多少的速度与功能相关。

注意：这里的速度指的是IO口的高低电平的切换速度，而且速度越大，功耗也越大。

举例PC4:配置为2mhz如何配置？？？

GPIOC->OSPEEDR &=~(0X3 << (4*2));

GPIO 端口上拉/下拉寄存器 (GPIOx_PUPDR) (x = A..I/)

PUPDRy[1:0]：端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0..15)

这些位通过软件写入，用于配置 I/O 上拉或下拉。

00：无上拉或下拉(浮空)

01：上拉

10：下拉

11：保留

举例PC4:配置为无上下拉  如何配置？？？

GPIOC->PUPDR  &=~(0X3 << (4*2));//无上下拉

GPIO 端口输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) (x = A..I)

位 31:16 保留，必须保持复位值。

位 15:0 IDRy[15:0]：端口输入数据 (Port input data) (y = 0..15)

这些位为只读形式，只能在只读模式下访问。它们包含相应 I/O 端口的输入值。

当前IO口的状态结果。

GPIO 端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) (x = A..I)

位 31:16 保留，必须保持复位值。

位 15:0 ODRy[15:0]：端口输出数据 (Port output data) (y = 0..15)

这些位可通过软件读取和写入。

想要IO口输出高电平还是低电平，通过该寄存器写1/0操作即可。

GPIO 端口置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR) (x = A..I)

位 31:16 BRy：端口 x 复位位 y (Port x reset bit y) (y = 0..15)(让IO口输出低电平)

这些位为只写形式，只能在字、半字或字节模式下访问。读取这些位可返回值 0x0000。

0：不会对相应的 ODRx 位执行任何操作

1：对相应的 ODRx 位进行复位

注意： 如果同时对 BSx 和 BRx 置位，则 BSx 的优先级更高。

位 15:0 BSy：端口 x 置位位 y (Port x set bit y) (y= 0..15)(让IO口输出高电平)

这些位为只写形式，只能在字、半字或字节模式下访问。读取这些位可返回值 0x0000。

0：不会对相应的 ODRx 位执行任何操作

1：对相应的 ODRx 位进行置位

 RCC AHB1 外设时钟使能寄存器 (RCC_AHB1ENR)

时钟关系：由于STM32是一款低功耗的芯片，每个功能都进行时钟控制，不开启相应的时候，不能正常工作。使用到GPIO口，就必须开启GPIO口相关的时钟。

有芯片框图得知GPIO口挂载在AHB1总线上，它的时钟线就是AHB1时钟线。

时钟相关的配置在RCC单元中。RCC是专门的时钟控制单元。

四、GPIO口实验设计

设计思路：

硬件初始化

Void led_init(void)

{

IO配置：

1开时钟

2模式：输出模式

3类型：推挽

4速度：2MHZ(默认)

5上下拉：无上下拉(默认)（内部的上下拉很微弱）

注意：初始时刻灯默认不亮

}

点灯算法实现

按键识别（验证基本输入功能）
实验设计：让MCU检测IO口的输入电平，从而判断按键是否按下。

KEY1-->PA0  高电平按下

KEY2-->PE2 低电平按下

KEY3-->PE3 低电平按下

KEY4-->PE4 低电平按下

软件设计
硬件初始化
Void key_init(void)
{
    //IO配置：
1开时钟
2模式：输入模式
3上下拉：无上下拉(浮空输入) 
}

 

如何判断按键按下算法实现。

需要判断GPIO口的电平状态，去确定按键是否按下如下图（理想状态）：

如上图所示按下之后是低电平，松开是高电平，但是按键按下过程中有按键不稳定的情况出现，所以，实现按键操作必须要进行消斗功能，为什么要消斗？？？？

原因如下：

    因为按键都是机械式的，两个金属片在接触的瞬间，从微秒级的时间段来看，会存在接触-断开-再接触这样的轻微的抖动。直到两个金属片牢牢的接触到一起之后，抖动才会消失。

消斗原理：

所谓按键去抖动，就是通过各种处理(延时)来消除掉接触再断开这种异常状态的。

一般选择延时来去除抖动。