(二)STM32學習之GPIO
1、GPIO簡介
GPIO 是通用輸入輸出端口的簡稱，簡單來說就是STM32 可控制的引腳，STM32 芯片的GPIO 引腳與外部設備連接起來，從而實現與外部通訊、控制以及數據採集的功能。STM32 芯片的GPIO 被分成很多組，每組有16 個引腳，所有的GPIO 引腳都有基本的輸入輸出功能。
2、GPIO框圖剖析
大致可分爲七個模塊，由箭頭走向可知曉GPIO 引腳線路經過兩個保護二極管後，向上流向“輸入模式”結構，向下流向“輸出模式”結構。
（1）保護電路
VDD爲3.3V，VSS爲公共接地端，當外部輸入電壓大於3.3V時，上面的二極管導通，保護內部芯片。如果輸入爲負電壓，則下面的二極管導通，電流往外面流，保護內部芯片。當輸入電壓過大也將會燒燬芯片，切記不可用GPIO直接連接電動機，電動機具有較大得反向電動勢，且積分時間短。
（2）普通輸出控制
推輓輸出：
所謂的推輓輸出模式，是根據這兩個MOS 管的工作方式來命名的。在該結構中輸入高電平時，經過反向後，上方的P-MOS 導通，下方的N-MOS 關閉，對外輸出高電平，電流往外流，形似往外推；而在該結構中輸入低電平時，經過反向後，N-MOS管導通，P-MOS關閉，對外輸出低電平，電流往裏面流，則爲挽留。當引腳高低電平切換時，兩個管子輪流導通，P管負責灌電流，N管負責拉電流，使其負載能力和開關速度都比普通的方式有很大的提高。推輓輸出的低電平爲0 伏，高電平爲3.3 伏，具體參考圖 8-2，它是推輓輸出模式時的等效電路。
總結：
1、可以輸出高低電平，用於連接數字器件，高電平由VDD決定，低電平由VSS決定。
2、推輓結構指兩個三極管受兩路互補的信號控制，總是在一個導通的時候另外一個截止，優點開關效率效率高，電流大，驅動能力強。
3、輸出高電平時，電流輸出到負載，叫灌電流，可以理解成推，輸出低電平時，負載電流流向芯片，叫拉電流，即挽。
開漏輸出：
在開漏輸出模式時，上方的P-MOS 管完全不工作，則可看作是不經過P-MOS管。如果我們控制輸出爲0，經過反向後，則N-MOS 管導通，使輸出接地，若控制輸出爲1，經過反向後，N-MOS 管關閉，所以引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，爲高阻態。爲了能正常輸出高低電平，使用時必須外部接入上拉電阻，即開漏輸出高電平時，電壓爲上拉電源電壓，參考圖 8-3 中等效電路。
開漏輸出具有“線與”特性，也就是說，若有很多個開漏模式引腳連接到一起時，只有當所有引腳都輸出高阻態，才由上拉電阻提供高電平，此高電平的電壓爲外部上拉電阻所接的電源的電壓。若其中一個引腳爲低電平，那線路就相當於短路接地，使得整條線路都爲低電平，即0 伏。
推輓輸出模式一般應用在輸出電平爲0 和3.3 伏而且需要高速切換開關狀態的場合。在STM32 的應用中，除了必須用開漏模式的場合，我們都習慣使用推輓輸出模式。
開漏輸出一般應用在I2C、SMBUS 通訊等需要“線與”功能的總線電路中。除此之外，還用在電平不匹配的場合，如需要輸出5 伏的高電平，就可以在外部接一個上拉電阻，上拉電源爲5 伏，並且把GPIO設置爲開漏模式，當輸出高阻態時，由上拉電阻和電源向外輸出5 伏的電平。
總結：
1、只能輸出低電平，不能輸出高電平。
2、如果要輸出高電平，則需要外接上拉。
3、開漏輸出具有“線與”功能，一個爲低，全部爲低，多用於I2C和SMBUS總線。
（3）輸出數據寄存器（OutputDataRegister -> ODR ）
前面的雙MOS管結構電路的輸入信號，是由GPIO“輸出數據寄存器GPIOx_ODR”提供的，因此我們通過修改輸出數據寄存器GPIOx_ODR的值就可以修改GPIO 引腳的輸出電平。而“置位/復位寄存器GPIOx_BSRR”可以通過修改輸出數據寄存器GPIOx_ODR的值從而影響電路的輸出。
（4）複用功能輸出
“複用功能輸出”中的“複用”是指STM32 的其它片上外設對GPIO 引腳進行控制，此時GPIO 引腳用作該外設功能的一部分，算是第二用途。從其它外設引出來的“複用功能輸出信號”與GPIO 本身的數據據寄存器都連接到雙MOS 管結構的輸入中，通過圖中的梯形結構作爲開關切換選擇。
例如我們使用USART 串口通訊時，需要用到某個GPIO 引腳作爲通訊發送引腳，這個時候就可以把該GPIO 引腳配置成USART 串口複用功能，由串口外設控制該引腳，發送數據。
（5）輸入數據寄存器 ( InputDataRegister -> IDR )
看GPIO 結構框圖的上半部分，GPIO 引腳經過內部的上、下拉電阻，可以配置成上/下拉輸入，然後再連接到施密特觸發器(即圖中TTL肖特基觸發器)，信號經過觸發器後，模擬信號轉化爲0、1 的數字信號，然後存儲在“輸入數據寄存器GPIOx_IDR”中，通過讀取該寄存器就可以瞭解GPIO引腳的電平狀態。
（6）複用功能輸入
與“複用功能輸出”模式類似，在“複用功能輸入模式”時，GPIO 引腳的信號傳輸到
STM32 其它片上外設，由該外設讀取引腳狀態。
同樣，如我們使用USART 串口通訊時，需要用到某個GPIO 引腳作爲通訊接收引腳，這個時候就可以把該GPIO 引腳配置成USART 串口複用功能，使USART 可以通過該通訊引腳的接收遠端數據。
（7）模擬輸入輸出
當GPIO 引腳用於ADC 採集電壓的輸入通道時，用作“模擬輸入”功能，此時信號是
不經過施密特觸發器的，因爲經過施密特觸發器後信號只有0、1 兩種狀態，而ADC 外設要採集到原始的模擬信號，信號源輸入必須在施密特觸發器之前。類似地，當GPIO 引腳用於DAC 作爲模擬電壓輸出通道時，此時作爲“模擬輸出”功能，DAC 的模擬信號輸出就不經過雙MOS 管結構，模擬信號直接輸出到引腳。
3、GPIO八種工作模式
typedef enum
{
GPIO_Mode_AIN = 0x0, /*模擬輸入 */
GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, /*輸入浮空 */
GPIO_Mode_IPD = 0x28, /*輸入下拉 */
GPIO_Mode_IPU = 0x48, /*輸入上拉 */
GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, /*開漏輸出 */
GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, /*推輓式輸出 */
GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, /*開漏複用 輸出 */
GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 /* 推輓式複用 輸出 */
}GPIOMode_TypeDef;
(1). 輸入模式(模擬/浮空/上拉/下拉)
在輸入模式時，施密特觸發器打開，輸出被禁止，可通過輸入數據寄存器GPIOx_IDR讀取I/O 狀態。其中輸入模式，可設置爲上拉、下拉、浮空和模擬輸入四種。上拉和下拉輸入很好理解，默認的電平由上拉或者下拉決定。浮空輸入的電平是不確定的，完全由外部的輸入決定，一般接按鍵的時候用的是這個模式。模擬輸入則用於ADC 採集。
(2). 輸出模式(推輓/開漏)
在輸出模式中，推輓模式時雙MOS 管以輪流方式工作，輸出數據寄存器GPIOx_ODR可控制I/O 輸出高低電平。開漏模式時，只有N-MOS 管工作，輸出數據寄存器可控制I/O輸出高阻態或低電平。輸出速度可配置，有2MHz\10MHz\50MHz 的選項。此處的輸出速度即I/O 支持的高低電平狀態最高切換頻率，支持的頻率越高，功耗越大，如果功耗要求不嚴格，把速度設置成最大即可。在輸出模式時施密特觸發器是打開的，即輸入可用，通過輸入數據寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O 的實際狀態。
(3). 複用功能(推輓/開漏)
複用功能模式中，輸出使能，輸出速度可配置，可工作在開漏及推輓模式，但是輸出信號源於其它外設，輸出數據寄存器GPIOx_ODR 無效；輸入可用，通過輸入數據寄存器可獲取I/O 實際狀態，但一般直接用外設的寄存器來獲取該數據信號。通過對GPIO 寄存器寫入不同的參數，就可以改變GPIO 的工作模式，再強調一下，要了解具體寄存器時一定要查閱《STM32F10X-中文參考手冊》中對應外設的寄存器說明。在GPIO 外設中，控制端口高低控制寄存器CRH 和CRL 可以配置每個GPIO 的工作模式和工作的速度，每4 個位控制一個IO，CRH 控制端口的高八位，CRL 控制端口的低8 位，具體的看CRH 和CRL 的寄存器描述。
4、GPIO寄存器
每組IO口含下面7個寄存器。也就是7個寄存器，一共可以控制一組GPIO的16個IO口。
GPIOx->CRL: 端口配置低寄存器
GPIOx->CRH: 端口配置高寄存器
GPIOx->IDR: 端口輸入寄存器
GPIOx->ODR: 端口輸出寄存器
GPIOx->BSRR: 端口位設置/清除寄存器
GPIOx->BRR : 端口位清除寄存器
GPIOx->LCKR: 端口配置鎖存寄存器
5、固件庫操作GPIO代碼示例
//相關宏定義
#define LED_G_GPIO_PIN GPIO_Pin_5//綠燈
#define LED_R_GPIO_PIN GPIO_Pin_6//紅燈
#define LED_B_GPIO_PIN GPIO_Pin_1//藍燈
#define LED_GPIO_PORT GPIOE//選中GPIOB口
#define LED_GPIO_CLK RCC_APB2Periph_GPIOE//打開B口時鐘
/***************具體函數***************/
void LED_GPIO_Config(void) //配置GPIO
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;//定義結構體
RCC_APB2PeriphClockCmd(LED_GPIO_CLK, ENABLE);//開時鐘
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = LED_G_GPIO_PIN |LED_R_GPIO_PIN | LED_B_GPIO_PIN;//利用宏定義管理GPIO口
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//選擇模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(LED_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}
void LED_GPIO_Init(void)//GPIO初始化函數
{
GPIO_SetBits(LED_GPIO_PORT, LED_R_GPIO_PIN);//將三個燈全部關閉,燈爲負邏輯，低電平亮燈
GPIO_SetBits(LED_GPIO_PORT, LED_G_GPIO_PIN);
GPIO_SetBits(LED_GPIO_PORT, LED_B_GPIO_PIN);
}
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