文章目录

GPIO简介

GPIO：每个连接到I/O总线上的设备都有自己的I/O地址集，即所谓的I/O端口。类似51单片机的P0~P3，但与51单片机不同的是，对stm32的GPIO来说，使用前需要设置其工作方式。。STM32 的每个 IO 端口都有 7 个寄存器来控制其工作方式，而每一个寄存器都需要用32bit来控制。在STM32中，一组GPIO有16个IO口。

端口位基本结构：

在这里插入图片描述

TTL肖特基触发器作用：将相对缓慢变化的模拟信号变成矩形信号，便于后面读取。
（这里有一个阈值电压的概念，比如从低到高达到多少才会导通，从高到底多少才会关闭）

工作方式

stm32的IO口一共有8种工作方式：
1、输入浮空：读取相应外部的电平，但当引脚不输入时，相当于悬空，输入电平未知，范围为0~VCC。
2、输入上拉：保证在无信号输入时输入端的电平为高电平。而在信号输入为低电平时输入端的电平也为低电平。
3、输入下拉：保证在无信号输入时输入端的电平为低电平。而在信号输入为高电平时输入端的电平也为高电平。
4、模拟输入：传统方式的输入，将0，1的二进制数字信号，通过数模转换，变成模拟信号，应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电。简单来说，就是将原本的高低电平转换为范围为0~VCC信号。
5、开漏输出：IO口输出0接地，输出1由外接电阻控制为0/1.
6、推挽输出：低电平输出为0，高电平输出为VCC
链接：用三极管很好地说明上面两者输出
7、复用推挽输出：用作串口的输出。
8、复用开漏输出：用在IIC。
7和8两种输出共同点：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），给内部外设使用的推挽，开漏输出，此时端口必须配置为复用功能输出模式。

而每个 GPIO 端口是通过 CNF[1:0]和 MODE[1:0]配置为 8 种模式中的一种，
STM32 的 IO 口位配置表 :
在这里插入图片描述
STM32 输出模式配置 :

在这里插入图片描述

IO 操作步骤

1）使能 IO 口时钟。调用函数为 RCC_APB2PeriphClockCmd()。

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOX,ENABLE);//GPIOX  使能时钟，X=A~E

2）初始化 IO 参数。调用函数 GPIO_Init();（确定操作的IO口）

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef*GPIOx,GPIO_InitTypeDef*GPIO_InitStruct);

其中，两个参数分别为：配置引脚组（GPIO_TypeDef* GPIOx），配置的参数( GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct）。

3）操作 IO。（固件库操作，寄存器操作，位操作）

IO口三种操作细解

1.固件库操作

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_Out_PP; //模式选择为推挽输出
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;//确定选位为第五个IO口
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=  GPIO_Speed_50MHz;//速率选择为50M
 GPIO_Init(GPIOX,&GPIO_InitStructure);//初始化GPIOX
 
 GPIO_SetBits(GPIOX,GPIO_Pin_5);//设置该位为高电平
  GPIO_ResetBits(GPIOX,GPIO_Pin_5);//设置该位为低电平

八种模式在 MDK 中是通过一个枚举类型定义的：

typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0, //模拟输入
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空输入
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, //通用推挽输出
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, //复用开漏输出
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 //复用推挽
}GPIOMode_TypeDef;

IO 口速度设置，有三个可选值，在 MDK 中同样是通过枚举类型定义：

typedef enum
{
GPIO_Speed_10MHz = 1,
GPIO_Speed_2MHz,
GPIO_Speed_50MHz
}GPIOSpeed_TypeDef;

在模式设置完成后，可通过其它库函数进行IO口设置：
控制IDR：

uint_8t GPIO_ReadIputDataBit(GPIO_TypeDef*GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)

控制ODR：

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef*GPIOx,uint16_t PortVal)

控制BSRR与BRR：

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef*GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef*GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)

2.寄存器操作
完整IO口初始化示例：

void LED_Init(void)
 {     
  RCC->APB2ENR |= 1<<2;    //使能PTA时钟     
  RCC->APB2ENR |= 1<<5;    //使能PTD时钟     
  GPIOA->CRH&=0XFFFF FFF0; //清空PA8设置     
  GPIOA->CRH|=0X0000 0003; //设置PA8推挽输出     
  GPIOA->ODR|=1<<8;  //PA8输出高     
  GPIOD->CRL&=0XFFFF F0FF;//清空PD2设置     
  G）PIOD->CRL|=0X0000 0300;//设置PD2推挽输出     
  GPIOD->ODR|=1<<2;//PD2输出高 
}

一般用寄存器控制IO口的形式如上，可以直接赋值，也可以通过与（&),或（|），非（~）进行控制。

3.位操作：通过直接对IO口的地址进行操作来改变IO口的值，达到操作IO的目的。
原理：将每个位膨胀为一个32位的字（即其地址），称为这个位的“位带别名区 ”，如下图：
在这里插入图片描述

STM32中有两个位带区：

在这里插入图片描述
对于片上外设位带区的某个比特，记它所在字节的地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为：

AliasAddr＝ 0x42000000+((A‐0x40000000)*8+n)*4 =0x42000000+ (A‐0x40000000)*32 + n*4

对 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：

AliasAddr＝ 0x42000000+((A‐0x40000000)*8+n)*4 =0x42000000+ (A‐0x40000000)*32 + n*4

“*4”表示一个字为 4 个字节，“*8”表示一个字节中有 8 个比特。

使用（以控制GPIOA的16个IO口中的第一个为例）：

//IO口操作宏定义，获取相应地址
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2)) 
#define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr)) 
#define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum)) 

#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C 
//IO口地址映射，即获取GPIOA_ODR的地址

#define PAout(n)   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PAin(n)    BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)  //输入

PAin（1）=1//使得GPIOA的第一个IO口为高电平

附录：C语言相关

1.C语言位操作
在这里插入图片描述

2.define 是 C 语言中的预处理命令，它用于宏定义，可以提高源代码的可读性，为编程提供方便。常见的格式：#define 标识符字符串（无分号）“标识符”为所定义的宏名。“字符串”可以是常数、表达式、格式串等。（类似typedef ）

3.单片机程序开发过程中，经常会遇到一种情况，当满足某条件时对一组语句进行编译，而当条件不满足时则编译另一组语句。条件编译命令最常见的形式为：

#ifdef 标识符
程序段 1
#else
程序段 2
#endif

当标识符已经被定义过(一般是用#define 命令定义)，则对程序段 1 进行编译，否则编译程序段 2。其中#else 部分也可以没有，。

4.C 语言中 extern 可以置于变量或者函数前，以表示变量或者函数的定义在别的文件中，提示编译器遇到此变量和函数时在其他模块中寻找其定义。如：

extern u16 USART_RX_STA;

此时，在其它文件会有:

u16 USART_RX_STA;

但是如果有多个文件同时要对应用的变量进行操作，而且可能会修改该变量，那就会影响其他模块的使用。

5.结构体
声明结构体类型：

Struct 结构体名{
成员列表;
}变量名列表； 

例：
struct U_TYPE {
int BaudRate
int WordLength;
}usart1,usart2;

结构体成员变量的引用方法是：结构体变量名字.成员名

usart1.BaudRate//引用usart1中的成员BaudRate

当变量定义过多，或者某几个变量是用来描述某一个对象，结构体可以使函数更加易读。

偏移地址与绝对地址

偏移地址计算绝对地址非常简单，比如要计算 GPIOC 端口 CRH 寄存器的绝对地址。可以先查看 GPIOC的起始地址，从图 8- 6 可以确定 GPIOC 的起始地址为 0x40011000， CRH 寄存器的偏移地址为0x04，因此， GPIOC 的 CRH 寄存器的绝对地址通过计算，即 0x40011000+0x04，就可以得出为 0x40011004。

最近开发的时候，用到了STM32F030F4P6型号的单片机，它只有20个引脚，价格非常便宜，但是功能齐全；定时器、外部中断、串口、IIC、SPI、DMA和WWDG等等，应用尽有，非常适合用来做小设备。可是有个问题是，它是Cortex-M0内核的，不像M3，M4内核一样，可以支持位带操作（就是一位一位地操作，像80C51单片机一样），这就给程序移植或者开发带来了一点点小麻烦，因此我就利用C语言结构的位段操作，实现了个访位带操作，只是在效率可能会稍逊于真正的位带操作，但是代码上可以兼容，基本上可以应用于任何一款处理器。希望能够帮到大家。

2、位带操作基本知识#

关于真正的位带操作，网上有不少的资料，写得也很详细，在这里我只是简单说一下我的理解。另，不理解真正的位带操作，也不影响对本文的理解，因本文跟位带操作没有任何关系，只是仿仿罢了，不能当真。如果不想了解货真价实的位带操作，此节可直接忽略。

如果不使用位带操作，我们操作一个次数据时，就要动32位（STM32是32位的），做一个不恰当的比喻，这就相当于我们坐在一辆有32节车厢的火车上，但是辆火车只有一个门，如果我们要查看这火车中乘客的信息，或者是乘客想下车，必须从那一个门进出，如下图1。

图1 只有1个车门的32节火车

而如果我们有了位带操作，就相当于，给这辆32节车厢的火车装上了32个车门，这样一来，想查看哪个乘客的信息，或都那个乘客要下车，都可以迅速地从指定的车门下车。如下图2所示。

图2 有32个车门的32节火车

有了32个门后，速度就快多了，但是硬件成本肯定要起来了，这就是为什么STM32F030系列没有位带操作的原因，就是它的成本低。

3、C言语结构体位段操作#

此节主要讲述C语言结构体的基础知识，如果有C言高手，请无视此节。在C语言中，对结构体的声明，有一个位域，它可以控制，此结构体中的成员占几个位，关于它的使用，有如下代码：

复制代码

 1 typedef struct _16_Bits_Struct
 2 {
 3     u16 bit0 : 1;//占一个字节
 4     u16 bit1 : 1;
 5     u16 bit2 : 1;
 6     u16 bit3 : 1;
 7     u16 bit4 : 1;
 8     u16 bit5 : 1;
 9     u16 bit6 : 1;
10     u16 bit7 : 1;
11     u16 bit8 : 1;
12     u16 bit9 : 1;
13     u16 bit10 : 1;
14     u16 bit11 : 2;//占两个字节
15     u16 bit12 : 3;//占三个字节
16 } _16_Bits_Struct;

复制代码

上面的_16_Bits_Struct结构体类型共占用2个字节，即16位，但它的13个成员变量所占用的位数不全都一样，通过“：”后面的数字可决定它占几位。代码如下，操作一个此结构体类型的位。

复制代码

 1     _16_Bits_Struct _16_bits;
 2     unsigned short _16bits_data;
 3     memset(&_16_bits, 0, sizeof(_16_Bits_Struct));//将其内存清0
 4 
 5     _16_bits.bit2 = 1;
 6     _16_bits.bit5 = 1;
 7     _16_bits.bit8 = 5;
 8 
 9     _16bits_data = *((unsigned short*)(&_16_bits));
10 
11     printf("_16bits_data = %0xH\n", _16bits_data);

复制代码

其输出结果为：

从结果中可以看出，在结构体，从bit0~bit12依次是从低位到高位。在上面代码的第7行，虽然给bit8写入了5，但是因为它只占一位，所以只取了5(D)=0101(B)的最低位，即为1。因此最终结果为124H，它的内存结构如下图3所示。

图3 结构体内存结构图

4、STM32F030仿位带操作#

有了上面结构体位段操作的基础后，离实现仿STM32F030的位带操作就很近了。我打算做一个最简单的，实现对GPIO的某一个引脚操作，达到亮灭LED的功能。

从STM32F030的参考手册中，找到GPIO的输出寄存器ODR，看到它的基本信息如下图4所示，这个寄存器是可读可写的（RW），因此只要作我们给这个寄存器其中的一个位写入1，那么这个引脚就会输出1，写0就输出0（当然前提条件是你把它配置成输出模式，并且使能了它的时钟）。

图4 GPIO的ODR寄存器结构图

我是如何对这个寄存器一次只操作一位的呢，且看下面代码再来解释。

复制代码

 1 typedef struct _16_Bits_Struct
 2 {
 3     u16 bit0 : 1;
 4     u16 bit1 : 1;
 5     u16 bit2 : 1;
 6     u16 bit3 : 1;
 7     u16 bit4 : 1;
 8     u16 bit5 : 1;
 9     u16 bit6 : 1;
10     u16 bit7 : 1;
11     u16 bit8 : 1;
12     u16 bit9 : 1;
13     u16 bit10 : 1;
14     u16 bit11 : 1;
15     u16 bit12 : 1;
16     u16 bit13 : 1;
17     u16 bit14 : 1;
18     u16 bit15 : 1;
19 } Bits_16_TypeDef;
20 #define LED_GPIO_CLK   RCC_AHBPeriph_GPIOA 
21 #define LED_PORT       GPIOA
22 #define LED_PIN        GPIO_Pin_4
23 //使用结构体的位段操作, 兼容Cortex-M3的位带操作.
24 #define LED_PORT_OUT    ((Bits_16_TypeDef *)(&(LED_PORT->ODR)))
25 #define LED             (LED_PORT_OUT->bit4)

复制代码

我的硬件连接是：LED接GPIOA的4引脚上。1~19行在前面的结构体知识中已经做出了解释了，20~22只是为了代码更好移植做的一些宏定义，可不要。24行就比较关键了：先取出GPIOA->ODR的地址，然后再将它强制转化为Bits_16_TypeDef * 类型（注意，是指针类型）。转化为此类型后，ODR就有位域的特性了，因此就可以对它进行位操作。25行就是将接在PA.4的LED定义为GPIOA->ODR的第4位。

有了这样的操作后，想要我们的LED亮灭，就很容易了，代码如下。

1 LED = 0;//LED亮
2 LED = 1;//LED灭

因硬件的连接不同，效果可能是反的。看到这里，是不是觉得操作起来很简单呢。

完整的代码如下：

led.c

led.h

mytype.h

一、前言

平常使用STM32F1和F4，程序不少参考的正点原子的教程，代码里都包含头文件他们的sys.h，这里面主要是实现了stm32的位带操作，位带是啥，博主也没深入研究，但是就是能直接读写GPIO口的某一位，例如：

PAout(1) = 1;//GPIOA Pin1 输出高电平

if(PAin(2)==1);//判断GPIOA Pin2 是否为高电平

用起来清晰直观，但是最近使用STM32F0，才发现F0没有位带，自然正点原子sys.h里位带操作就没法移植到F0了，那是不是没办法了呢，百度一下发现可以利用位域来实现仿位带操作，下面就来写一个STMF0的sys.h，废话不多说，直接看下面代码。

二、代码实现

代码分三步，可以新建名为sys.h的头文件，放在里面：

（1）因为GPIOX->ODR和GPIOX->IDR寄存器都是低16位有效，所以先定义一个结构体位域，大小为2字节（16位），每一位表示一个IO口。而且要用volatile 防止被编译器优化，如果不加volatile ，像PAout(0)=1;PAout(1)=1;原本先后置1，可能会被优化成GPIOA->ODR=0x03，一起置1了，这可是致命错误，在模拟I2C、SPI时序的时候会出错。

//定义GPIO结构体位域
typedef struct
{
   volatile unsigned short bit0 : 1;
   volatile unsigned short bit1 : 1;
   volatile unsigned short bit2 : 1;
   volatile unsigned short bit3 : 1;
   volatile unsigned short bit4 : 1;
   volatile unsigned short bit5 : 1;
   volatile unsigned short bit6 : 1;
   volatile unsigned short bit7 : 1;
   volatile unsigned short bit8 : 1;
   volatile unsigned short bit9 : 1;
   volatile unsigned short bit10 : 1;
   volatile unsigned short bit11 : 1;
   volatile unsigned short bit12 : 1;
   volatile unsigned short bit13 : 1;
   volatile unsigned short bit14 : 1;
   volatile unsigned short bit15 : 1;
 
} GPIO_Bit_TypeDef;

（2）将寄存器地址&(GPIOX->ODR)和& (GPIOX->IDR)强制转换为GPIO_Bit_TypeDef* 指针，并利用宏定义替换为标识符PORTX_OUT或PORTX_IN

#define PORTA_OUT    ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOA->ODR)))
#define PORTA_IN     ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOA->IDR)))
#define PORTB_OUT    ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOB->ODR)))
#define PORTB_IN     ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOB->IDR)))
#define PORTC_OUT    ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOC->ODR)))
#define PORTC_IN     ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOC->IDR)))
#define PORTD_OUT    ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOD->ODR)))
#define PORTD_IN     ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOD->IDR)))
#define PORTE_OUT    ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOE->ODR)))
#define PORTE_IN     ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOE->IDR)))
#define PORTF_OUT    ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOF->ODR)))
#define PORTF_IN     ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOF->IDR)))
#define PORTG_OUT    ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOG->ODR)))
#define PORTG_IN     ((GPIO_Bit_TypeDef *)(&(GPIOG->IDR)))

（3）利用宏函数和##字符串拼接，实现IO口操作，函数名称和正点原子sys.h里的一致，方便其他程序移植。这里提一下“##”拼接，这是一种宏的特殊符号，##表示把左右字符串拼接在一起

例如：#define GPIO(io) GPIO##io 则 GPIO(A) 会被替换成 GPIOA

在下面这里如果输入n为4，就会变成 bit4，n为8，就会变成bit8

#define PAout(n) (PORTA_OUT->bit##n)
#define PAin(n)  (PORTA_IN->bit##n)
#define PBout(n) (PORTB_OUT->bit##n)
#define PBin(n)  (PORTB_IN->bit##n)
#define PCout(n) (PORTC_OUT->bit##n)
#define PCin(n)  (PORTC_IN->bit##n)
#define PDout(n) (PORTD_OUT->bit##n)
#define PDin(n)  (PORTD_IN->bit##n)
#define PEout(n) (PORTE_OUT->bit##n)
#define PEin(n)  (PORTE_IN->bit##n)
#define PFout(n) (PORTF_OUT->bit##n)
#define PFin(n)  (PORTF_IN->bit##n)
#define PGout(n) (PORTG_OUT->bit##n)
#define PGin(n)  (PORTG_IN->bit##n)

三、例程

实际使用起来就很简单了，和在F1、F4上的一样，以点灯为例，初始化GPIO后，直接赋值就行了

#define LED PAout(4)
void LED_Init(void);
 
//点灯测试
int main(void)
{
	LED_Init();
	delay_init();
  while (1)
  {
		LED=1;
		delay_ms(500);
		LED=0;
		delay_ms(500);
  }
}
 
void LED_Init(void)
{
 GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
 	
 RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);	 //使能PA端口时钟	
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;				 //LED0-->PB.5 端口配置
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; 		 //输出
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		 //IO口速度为50MHz
 GPIO_InitStructure.GPIO_OType= GPIO_OType_PP;//推挽
 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd= GPIO_PuPd_NOPULL;//无上下拉
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);	
	//
 GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);						 //PA.4 输出高
 
}

STM32笔记 GPIO介绍及IO口操作 STM32F0 利用C语言位域实现仿位带操作

文章目录

GPIO简介

工作方式

相关寄存器介绍

IO 操作步骤

IO口三种操作细解

附录：C语言相关

偏移地址与绝对地址

2、位带操作基本知识#

3、C言语结构体位段操作#

4、STM32F030仿位带操作#

一、前言

二、代码实现

代码分三步，可以新建名为sys.h的头文件，放在里面：

三、例程

猜你喜欢