STM32 Hal库版—GPIO_stm32 gpio hal-优快云博客

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一、GPIO的简介

1.1.GPIO的介绍

GPIO的全称是General Purpose Input Output，即通用输入输出端口，它和51单片机里的IO口一样，只是一个输入输出的端口，负责采集外部器件的信息或者控制外部期间工作。

1.2.GPIO的特点

不同型号，IO数量可能不一样，可通过选型手册快速查询
快速反转，每次翻转最快只要两个时钟周期
每个IO口都可以做中断（STM32最可贵的特点）
支持8种工作模式

1.3.GPIO的电气特性

STM32工作电压范围在2V ~ 3.6V内，一般选3.3V为工作电压，要是接上了5V的电压，不通过特定的电路，会导致烧毁。GPIO识别的电压范围有两种类型的端口：第一种是COMS端口，电压在-0.3V ~ 1.164V判定为逻辑0，1.833V ~ 3.6V判定为逻辑1，设计电压的时候不要把电压设计在1.164V ~ 1.833V之间；第二种是TTL端口，它的端口能够兼容3.3V和5V的电压。想了解该GPIO到底是输出哪一种电平类型的端口，可以通过查询STM32的数据手册，I/O电平的框框里，有FT的是TTL端口，空白的是COMS端口。单个IO口最大的输出电流为25mA。
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二、GPIO引脚分布及结构

2.1.引脚分布

STM32引脚类型：电源引脚（以V开头的引脚）、晶振引脚（8号引脚是低速输入，9号引脚是低速输出；23号引脚是高速输入，24号引脚是高速输出）、复位引脚（25号引脚）、下载引脚（具体的引脚需要参考手册）、BOOT引脚（138号引脚和PB2_BOOT1）、GPIO引脚（以P开头的引脚）：
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2.2.GPIO基本结构（F1系列）

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根据红线划分控制器的外部和内部，外部的IO引脚是看得见的银色引脚。
① 保护二极管：保护二极管共有两个，用于保护引脚外部过高或过低的电压输入。当引脚输入电压高于VDD 时，上面的二极管导通，当引脚输入电压低于 VSS 时，下面的二极管导通，从而使输入芯片内部的电压处于比较稳定的值。虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大电流的接入很容易烧坏芯片。
② 上拉、下拉电阻：它们阻值大概在 30~50K 欧之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄存器控制。当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电平由引脚内部上、下拉决定，开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高；开启内部下拉电阻工作，则引脚电平为低。需要注意的是，STM32 的内部上拉是一种“弱上拉”，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是得外部上拉。
③ 施密特触发器：可以将非标准方波，整形成方波。当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变。
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④ P-MOS 管和 N-MOS 管：这个结构控制 GPIO 的开漏输出和推挽输出两种模式。开漏输出：输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平状态需要上拉电阻才行。推挽输出：这两只对称的 MOS 管每次只有一只导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。推拉式输出既能提高电路的负载能力，又能提高开关速度。

三、GPIO的八种模式

GPIO八种模式	特点及引用
输入浮空	输入用，完全浮空，状态不定
输入上拉	输入用，用内部上拉，默认为高电平
输入下拉	输入用，用内部下拉，默认为低电平
模拟功能	ADC、DAC
开漏输出	软件IIC的SDL、SCL等
推挽输出	驱动能力强，25mA，通用输出
开漏式复用功能	片上外设功能（硬件IIC的SDL、SCL引脚等）
推挽式复用功能	片上外设功能（SPI的SCK、MISO、MOSI引脚等）

3.1.输入浮空

上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器打开，输出被禁止。输入浮空模式下，IO 口的电平完全是由外部电路决定。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。该模式可以用于按键检测等场景。

3.2.输入上拉

上拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。

3.3.输入下拉

下拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部下拉电阻的时候，可以使用内部下拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较大，所以不适合做电流型驱动。

3.4.模拟功能

上下拉电阻断开，施密特触发器关闭，双 MOS 管也关闭。其他外设可以通过模拟通道输入输出。该模式下需要用到芯片内部的模拟电路单元单元，用于 ADC、DAC、MCO这类操作模拟信号的外设。

3.5.开漏输出

STM32 的开漏输出模式是数字电路输出的一种，从结果上看它只能输出低电平 Vss 或者高阻态，常用于 IIC 通讯（IIC_SDA）或其它需要进行电平转换的场景。

3.6.推挽输出

STM32 的推挽输出模式，从结果上看它会输出低电平 VSS 或者高电平VDD。推挽输出跟开漏输出不同的是，推挽输出模式 P-MOS 管和 N-MOS 管都用上。

3.7.开漏式复用功能

一个 IO 口可以是通用的 IO 口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是 IO 口的复用功能。一个 IO 口可以是多个外设的功能引脚，需要选择作为其中一个外设的功能引脚。当选择复用功能时，引脚的状态是由对应的外设控制，而不是输出数据寄存器。除了复用功能外，其他的结构分析请参考开漏输出模式。

3.8.推挽式复用功能

复用功能介绍请查看开漏式复用功能，结构分析请参考推挽输出模式。

四、GPIO寄存器

4.1.GPIO寄存器介绍

CRL、CRH	IDR	ODR	BSRR	LCK
配置工作模式，输出速度	输入数据	输出数据	设置ODR寄存器的值	配置锁定

4.2.端口配置寄存器（GPIOx_CRL 和 GPIOx_CRH）

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这两个寄存器都是 GPIO 口配置寄存器，不过 CRL 控制端口的低八位，CRH 控制端口的高八位。寄存器的作用是控制 GPIO 口的工作模式和工作速度，一共有32各框，每两个对应一个GPIO引脚，如控制GPIOA的第3个引脚，就控制CNF3和MODE3的框，寄存器描述如下图所示：
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想要控制B~G的GPIO也是类似操作。再通过在特定位置输入特定值，来达到需要的效果：

图里的CNFy[1:0]如果输入了10，该如何区分上拉模式还是下拉模式，通过ODR寄存器来设置：

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4.3.端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）

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该寄存器用于控制 GPIOx 的输出高电平或者低电平，低 16 位有效，分别对应每一组 GPIO 的 16 个引脚。当 CPU 写访问该寄存器，如果对应的某位写 0(ODRy=0)，则表示设置该 IO 口输出的是低电平，如果写 1(ODRy=1)，则表示设置该 IO 口输出的是高电平，y=0~15。此外，除了 ODR 寄存器，还有一个寄存器也是用于控制 GPIO 输出的，它就是 BSRR 寄存器。
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4.4.端口置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）

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该寄存器也用于控制 GPIOx 的输出高电平或者低电平，BSRR 是只写权限，而 ODR 是可读可写权限。BSRR 寄存器 32 位有效，在低 16 位（0-15）相应的位写 1(BSy=1)，那么对应的 IO 口会输出高电平，往相应的位写 0(BSy=0)，对 IO 口没有任何影响；高 16 位（16-31）作用是：对相应的位写 1(BRy=1)会输出低电平，写 0(BRy=0)没有任何影响，y=0~15。总结：对于 BSRR 寄存器，在高16位写1会置0；在低16位写1会置1，写 0 的话，对 IO 口电平是没有任何影响的。
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首先需要读出来 ODR 寄存器的值，然后对整个 ODR 寄存器重新赋值来达到设置某个或者某些 IO 口的目的，而 BSRR 寄存器直接设置即可，这在多任务实时操作系统中作用很大。。BSRR寄存器还有一个好处，就是 BSRR 寄存器改变引脚状态的时候，不会被中断打断，而 ODR 寄存器有被中断打断的风险。

五、GPIO配置

5.1.通用外设驱动模型

初始化：时钟设置、参数设置、IO设置（可选）、中断设置（开中断、设NVIC）（可选）
读函数：从外设读取数据（可选）
写函数：往外设写入数据（可选）
中断服务函数：根据中断标志，处理外设各种中断事务（可选）

5.2.使能时钟

Hal库驱动函数：__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE();它主要操作的寄存器是RCC_APB2ENR（为什么会操作APB2总线呢，因为根据手册可知，GPIO挂在APB2总线上），功能是开启GPIO时钟。这个函数是在stm32f1xx_hal_rcc.h里面，例如：打开GPIOA时钟的时候，它的寄存器里面的操作是：RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN将控制GPIOA的时钟开关置1（打开），图三是偏移到控制GPIOA时钟开关的位置。

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5.3.设置工作模式

Hal库驱动函数：HAL_GPIO_Init(...);它主要操作的寄存器是CRL、CRH、ODR，功能是初始化GPIO。该函数有两个参数，第一个是确定GPIOA~G组的结构体指针，里面操控的都是GPIO的寄存器CRL、CRH、IDR、ODR、BSRR 、LCK等；第二个是操作功能的结构体指针，例如在PB5和PE5都设置为推挽输出，高速传输。
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5.4.设置输出状态（可选）

Hal库驱动函数：HAL_GPIO_WritePin(...);它主要操作的寄存器是BSRR，作用是控制IO输出高/低电平；HAL_GPIO_TogglePin(...);它主要操作的寄存器也是BSRR，作用是每次调用，IO输出的电平就会翻转一次。
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5.5.读取输入状态（可选）

Hal库驱动函数：HAL_GPIO_ReadPin(...);它主要操作的寄存器是IDR作用是读取IO的电平。
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六、实验

使两个LED灯闪烁，下面是主函数：


#include "./SYSTEM/delay/delay.h"

void led_init(void);                       

int main(void)
{
    HAL_Init();                             
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);      
    delay_init(72);                          
    led_init();                             
    
    while(1)
    { 
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);    
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);   
        delay_ms(500);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);  
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);   
        delay_ms(500); 
    }
}


void led_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();                         
    __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();                          

    gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_5;                      
    gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;            
    gpio_initstruct.Pull = GPIO_PULLUP;                    
    gpio_initstruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;         
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &gpio_initstruct);               

    gpio_initstruct.Pin = GPIO_PIN_5;                   
    HAL_GPIO_Init(GPIOE, &gpio_initstruct);                
}