STM32 GPIO相关内容整理

GPIO基础知识整理

GPIO简介

首先说一下GPIO是什么意思，GPIO是 General Purpose Input Output 的简称，直接翻译过来：通用输入输出
它起到的作用跟C语言里的printf();Scanf();有些类似，只不过GPIO输入输出的是高低电平。

GPIO功能

简单了解GPIO的功能后，下一步就是解决如何去使用GPIO的问题了。在STM32中每一个GPIO端口都是由7个寄存器来控制的，分别是：

1.端口配置寄存器：CRL和CRH，这两个寄存器负责每个IO口的工作模式以及输出的速率，工作模式稍后有总结。其中CRL控制低8位输出口，CRH控制高8位输出口。
2.数据寄存器：IDR和ODR，IDR是查看引脚电平状态用的寄存器，ODR是引脚电平输出的寄存器。
3.置位/复位寄存器：BSRR
4.16位复位寄存器:BRR
5.锁存寄存器：LCKR

这七个寄存器中除了BRR是16位，其他六个都是32位的。GPIO的工作模式也有八种：
1、输入浮空
2、输入上拉
3、输入下拉
4、模拟输入
5、开漏输出
6、推挽输出
7、推挽式复用功能
8、开漏复用功能

IO端口位基本结构如下：
端口结构图
在这里先简单的对电路图做个介绍：
VCC：接入电路的电压；

VDD：器件内工作电压；

VSS：公共接地端电压。

保护二极管：IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入。当引脚电压高于VDD时，上方的二极管导通；当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作；

P-MOS管和N-MOS管：由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到；

TTL肖特基触发器：信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号；

浮空输入模式

在这里插入图片描述
浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

上拉输入模式

在这里插入图片描述
上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平也还是低电平。

下拉输入模式

在这里插入图片描述
下拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端的电平也还是高电平。

模拟输入模式

在这里插入图片描述
模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等。

开漏输出模式

在这里插入图片描述
开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平。

开漏复用输出模式

在这里插入图片描述
开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

推挽输出模式

在这里插入图片描述
推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。这里要注意P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定：高电平；当设置输出的值为低电平的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定：低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

推挽复用输出模式

在这里插入图片描述
推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

补充一下：
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。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)；
推挽输出 :可以输出强高、低电平，连接数字器件。

GPIO输出初始化

基本思路：时钟使能——寄存器清零——设置输出模式——设置输出电平
以正点原子F103RCT6 Mini开发板点亮小灯实验代码节选为例（寄存器版代码）：

RCC->APB2ENR|=1<<2; 	 //使能 PORTA 时钟
RCC->APB2ENR|=1<<5; 	 //使能 PORTD 时钟
GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;  //寄存器清零
GPIOA->CRH|=0X00000003;	 //PA8 推挽输出
GPIOA->ODR|=1<<8;		 //PA8 输出高
GPIOD->CRL&=0XFFFFF0FF;
GPIOD->CRL|=0X00000300;  //PD.2 推挽输出
GPIOD->ODR|=1<<2;        //PD.2 输出高

GPIO输入初始化

以正点原子F103RCT6 Mini开发板点按键实验代码节选为例（寄存器版代码）：

RCC->APB2ENR|=1<<2;     //使能 PORTA 时钟
RCC->APB2ENR|=1<<4;     //使能 PORTC 时钟
JTAG_Set(SWD_ENABLE);   //关闭 JTAG,开启 SWD
GPIOA->CRL&=0XFFFFFFF0; //PA0 设置成输入
GPIOA->CRL|=0X00000008;
GPIOA->CRH&=0X0FFFFFFF; //PA15 设置成输入
GPIOA->CRH|=0X80000000;
GPIOA->ODR|=1<<15;      //PA15 上拉,PA0 默认下拉
GPIOC->CRL&=0XFF0FFFFF; //PC5 设置成输入
GPIOC->CRL|=0X00800000;
GPIOC->ODR|=1<<5;       //PC5 上拉