STM32學習筆記之GPIO口的使用

一、GPIO口簡介

1、 GPIO口輸入輸出模式

1.1 一般來說STM32的輸入輸出管腳有以下8種配置方式：

輸入

① 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識別

② 帶上拉輸入_IPU ——IO內部上拉電阻輸入

③ 帶下拉輸入_IPD ——IO內部下拉電阻輸入

④ 模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電

輸出
⑤ 開漏輸出_OUT_OD ——IO輸出0接GND，IO輸出1，懸空，需要外接上拉電阻，才能實現輸出高電平。當輸出爲1時，IO口的狀態由上拉電阻拉高電平，但由於是開漏輸出模式，這樣IO口也就可以由外部電路改變爲低電平或不變。可以讀IO輸入電平變化，實現C51的IO雙向功能。

⑥ 推輓輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND， IO輸出1 -接VCC，讀輸入值是未知的。

複用輸出

⑦ 複用功能的推輓輸出_AF_PP ——片內外設功能（I2C的SCL，SDA）

⑧ 複用功能的開漏輸出_AF_OD ——片內外設功能（TX1，MOSI，MISO，SCK，SS）

2、輸入輸出模式詳解

一般我們平時用的最多的也就是推輓輸出、開漏輸出、上拉輸入，介紹如下：

2.1推輓輸出：

可以輸出高，低電平，連接數字器件；推輓結構一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制，總是在一個三極管導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源低定。

推輓電路是兩個參數相同的三極管或MOSFET，以推輓方式存在於電路中，各負責正負半周的波形放大任務，電路工作時，兩隻對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。

2.2開漏輸出：

輸出端相當於三極管的集電極。要得到高電平狀態需要上拉電阻才行。適合於做電流型的驅動，其吸收電流的能力相對強(一般20mA以內)

開漏形式的電路有以下幾個特點：

1、利用外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時，驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ，MOSFET到GND。IC內部僅需很小的柵極驅動電流。

2、一般來說，開漏是用來連接不同電平的器件，匹配電平用的，因爲開漏引腳不連接外部的上拉電阻時，只能輸出低電平，如果需要同時具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻，很好的一個優點是通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。（上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。）

3、 OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點，就是帶來上升沿的延時。因爲上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。

4、可以將多個開漏輸出的Pin，連接到一條線上。通過一隻上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關係。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線佔用狀態的原理。

補充：什麼是“線與”？：

在一個結點(線)上，連接一個上拉電阻到電源 VCC 或 VDD 和 n 個 NPN 或 NMOS 晶體管的集電極 C 或漏極 D，這些晶體管的發射極 E 或源極 S 都接到地線上，只要有一個晶體管飽和，這個結點(線)就被拉到地線電平上。因爲這些晶體管的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS)，晶體管就會飽和，所以這些基極或柵極對這個結點(線)的關係是或非 NOR 邏輯。如果這個結點後面加一個反相器，就是或 OR 邏輯。

其實可以簡單的理解爲：在所有引腳連在一起時，外接一上拉電阻，如果有一個引腳輸出爲邏輯0，相當於接地，與之並聯的迴路“相當於被一根導線短路”，所以外電路邏輯電平便爲0，只有都爲高電平時，與的結果才爲邏輯1。

關於推輓輸出和開漏輸出，最後概括一下：

該圖中左邊的便是推輓輸出模式，其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極管截止，而上面NPN三極管導通，輸出電平VS+；當比較器輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極管導通，輸出和地相連，爲低電平。右邊的則可以理解爲開漏輸出形式，需要接上拉。

2.3浮空輸入：對於浮空輸入，一直沒找到很權威的解釋，只好從以下圖中去理解了。

2.4 上拉輸入/下拉輸入/模擬輸入：這幾個概念很好理解，從字面便能輕易讀懂。

2.5 複用開漏輸出、複用推輓輸出：可以理解爲GPIO口被用作第二功能時的配置情況（即並非作爲通用IO口使用）

二、GPIO口配置

1、根據具體應用配置爲輸入或輸出

① 作爲普通GPIO輸入：

根據需要配置該引腳爲浮空輸入、帶弱上拉輸入或帶弱下拉輸入，同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模塊。

② 作爲普通GPIO輸出：

根據需要配置該引腳爲推輓輸出或開漏輸出，同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模塊。

③ 作爲普通模擬輸入：

配置該引腳爲模擬輸入模式，同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模塊。

④ 作爲內置外設的輸入：

根據需要配置該引腳爲浮空輸入、帶弱上拉輸入或帶弱下拉輸入，同時使能該引腳對應的某個複用功能模塊。

⑤ 作爲內置外設的輸出：

根據需要配置該引腳爲複用推輓輸出或複用開漏輸出，同時使能該引腳對應的所有複用功能模塊。

2、輸出模式下，配置速度

I/O口輸出模式下，有3種輸出速度可選(2MHz、10MHz和50MHz)，這個速度是指I/O口驅動電路的響應速度而不是輸出信號的速度，輸出信號的速度與程序有關（芯片內部在I/O口的輸出部分安排了多個響應速度不同的輸出驅動電路，用戶可以根據自己的需要選擇合適的驅動電路）。通過選擇速度來選擇不同的輸出驅動模塊，達到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。高頻的驅動電路，噪聲也高，當不需要高的輸出頻率時，請選用低頻驅動電路，這樣非常有利於提高系統的EMI性能。當然如果要輸出較高頻率的信號，但卻選用了較低頻率的驅動模塊，很可能會得到失真的輸出信號。關鍵是GPIO的引腳速度跟應用匹配。

2.1 對於串口，假如最大波特率只需115.2k，那麼用2M的GPIO的引腳速就夠

了，既省電也噪聲小。

2.2 對於I2C接口，假如使用400k波特率，若想把餘量留大些，那麼用2M的

GPIO的引腳速度或許不夠，這時可以選用10M的GPIO引腳速度。

2.3 對於SPI接口，假如使用18M或9M波特率，用10M的GPIO的引腳速度顯然不夠了，需要選用50M的GPIO的引腳速度。

3、GPIO口初始化

①使能GPIO口的時鐘 ②配置模式設置（8種模式）

 STM32的GPIO的時鐘統一掛接在APB2上，具體的使能寄存器爲RCC_APB2ENR該寄存器的第2位到第8位分別控制GPIOx（x=A,B,C,D,E,F,G)端口的時鐘使能。

如打開PORTA時鐘 RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA時鐘

如果把端口配置成複用輸出功能，則還需開始複用端口時鐘，並進行相應配置。

4、GPIO配置寄存器

GPIO口配置是通過配置寄存器來進行的，每個GPIO 端口有：

兩個32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)分別控制每個端口的高八位和低八位。如果IO口是0-7號的話，則寫CRL寄存器；如果IO口是8-15號的話，則寫CRH寄存器。

兩個32位數據寄存器(GPIOx_IDR，GPIOx_ODR)一個是隻讀作輸入數據寄存器，一個是隻寫作輸出寄存器。

一個32位置位/復位寄存器(GPIOx_BSRR)。

一個16位復位寄存器(GPIOx_BRR)。

一個32位鎖定寄存器(GPIOx_LCKR)。

常用的IO端口寄存器只有四個：CRH，CRL，IDR，ODR。

數據手冊中列出的每個I/O端口的特定硬件特徵。 GPIO端口的每個位可以由軟件分別配置成多種模式。每個I/O端口位可以自由編程，然而I/0端口寄存器必須按32位字被訪問(不允許半字或字節訪問)。另外，STM32的每個端口使用前都要將其時鐘使能，STM32的GPIO的時鐘統一掛接在APB2上，具體的使能寄存器爲RCC_APB2ENR，該寄存器的第2位到第8位分別控制GPIOx（x=A,B,C,D,E,F,G)端口的時鐘使能，當外設時鐘沒有啓用時，程序不能讀出外設寄存器的數值，如打開PORTA時鐘： RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA時鐘

總結一下GPIO功能：

1、通用I/O(GPIO)：最基本的功能，可以驅動LED、可以產生PWM、可以驅動蜂鳴器等等；

2、單獨的位設置或位清除：方便軟體作業，程序簡單。端口配置好以後只需GPIO_SetBits(GPIOx， GPIO_Pin_x)就可以實現對GPIOx的pinx位爲高電平；

3、所有端口都有外部中斷能力：端口必須配置成輸入模式，所有端口都有外部中斷能力；

4、複用功能(AF)：複用功能的端口兼有IO功能等。復位期間和剛復位後，複用功能未開啓，I/O 端口被配置成浮空輸入模式。

5、軟件重新映射I/O複用功能：爲了使不同器件封裝的外設I/O 功能的數量達到最優，可以把一些複用功能重新映射到其他一些腳上。這可以通過軟件配置相應的寄存器來完成。這時，複用功能就不再映射到它們的原始引腳上了。

6、 GPIO鎖定機制：當在一個端口位上執行了所定(LOCK)程序，在下一次復位之前，將不能再更改端口位的配置。

5、GPIO寄存器詳解

參見《STM32F10X中文手冊》

GPIO基本設置

GPIOMode_TypeDefGPIO mode 定義及偏移地址

GPIO_Mode_AIN =0x0, //模擬輸入

GPIO_Mode_IN_FLOATING= 0x04, //懸空輸入

GPIO_Mode_IPD =0x28, //下拉輸入

GPIO_Mode_IPU =0x48, //上拉輸入

GPIO_Mode_Out_OD =0x14, //開漏輸出

GPIO_Mode_Out_PP =0x10, //推輓輸出

GPIO_Mode_AF_OD =0x1C, //開漏複用

GPIO_Mode_AF_PP =0x18 //推輓複用

GPIO輸入輸出速度選擇：

typedef enum

{

GPIO_Speed_10MHz =1,

GPIO_Speed_2MHz,

GPIO_Speed_50MHz

}

GPIOSpeed_TypeDef;

#defineIS_GPIO_SPEED(SPEED) ((SPEED == GPIO_Speed_10MHz) ||

(SPEED ==GPIO_Speed_2MHz) || (SPEED == GPIO_Speed_50MHz))

6、GPIO輸出的試驗

這裏利用ST固件庫，就不需要自己對照配置寄存器寫代碼，直接利用庫函數，非常方便。

main.c

/*****************************************************************************
* main.c
* http://www.veryarm.cn
* V1.0.0
* 04-27-2013
*
* http://veryarm.taobao.com
******************************************************************************
*
*
*
*****************************************************************************/
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
/* Private define------------------------------------------------------------*/
/* Declare Private functions-------------------------------------------------*/
void Delay(u32 d_time);
/* Main functions------------------------------------------------------------*/
int main(void)
{
LED_Init();
while(1)
{
GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9);
Delay(3000000);
GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9);
Delay(3000000);
}
}
/* Define Private functions-------------------------------------------------*/
void Delay(u32 d_time)
{
for(;d_time>0;d_time--);
}
/************************ (C) COPYRIGHTwww.veryarm.cn *********END OF FILE****/

複製代碼

led.h

#ifndef __LED_H
#define __LED_H
#include"sys.h"
void LED_Init(void);
#endif

複製代碼

led.c

#include"led.h"
//LED IO初始化
void LED_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOF,ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed =GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);
GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9);
}

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