Mkdm的STM32单片机学习日记：GPIO简介 + 点亮LED + 按键控制LED

一. 什么是GPIO

general purpose input output 通用输入输出端口

负责采集信息（输入），控制外部器件工作（输出）

二. STM32 GPIO简介

GPIO特点：快速翻转，只需要两个时钟周期就可以完成一次翻转（如果是F1，最大工作频率是72MHz，而GPIO的频率是36MHz）

每一个端口都可以中断

GPIO电气特性：

1.工作电压范围：2V到3.6V（一般接3.3V）

2.GPIO识别电压范围：

CMOS端口（不能兼容5V）：-0.3V到1.164V是低电平识别范围，1.833V到3.6V是高电平识别范围，在两者之间的电压是不确定值

TTL端口（可以兼容5V，在手册中标着FT）

3.GPIO输出电流：单个IO口，最大输出25mA（芯片的总输入输出电流最大是150mA）

GPIO引脚分布：

电源引脚：V开头的 eg:VBAT

晶振引脚：我们要外接HSE和LSE两个晶振，所以需要四个晶振引脚 

（低速晶振会加上32，而高速晶振的引脚没有）

复位引脚：NRST

下载引脚：很多

BOOT引脚：BOOT0，BOOT1

GPIO引脚：以P开头的

三. IO端口基本结构介绍

上面是F1的IO结构图，对于输入：可以选择上拉和下拉，然后可以选择几种输入：模拟输入（ADC/DAC），复用功能（就是第二功能），或者是输入到寄存器（IDR Input Data Register）中

对于输出：选择要输出哪一个，然后如果想要输出高电平，就将P-MOS导通，否则将N-MOS导通

注意：

1.在输入时，如果输入高电平5V，上面的二极管导通，下面的不导通，上面的二极管承受的压降是（5V-3.3V=1.7V），导致二极管烧坏

所以在输入时要接一个保护电阻，使得流过保护二极管的电流不要太大，二极管正常分压0.3V，输入一个3.6V的电压

同理输入-5V，实际输入了-0.3V

2.上下拉电阻：电阻大约在几十千欧，导致能够驱动的电流很小

3.施密特触发器：整形电路，将波形整流为方波（有一个正向阈值和负向阈值，比负阈值低就是低电平，比正阈值高就是高电平）

四. GPIO的八种模式

工作模式：

前三种称为通用输入，开漏输出，推挽输出称为通用输出

4.1 输入浮空

下图√表示打开，×表示关闭

由于浮空，所以上下拉都关闭

特点：在空闲时（也就是外部是高阻态的状态下），IO状态不确定，只由外部环境来决定

eg：外部输入3.3V就输入高电平，输入0V就输入低电平

（高阻态不是高电平，也不是低电平，是两者之间的，也就是不确定）

4.2 输入上拉

上拉电阻开启

如果外部不是高阻态，那么输入高电平就IO口寄存器就输入高电平，输入低电平寄存器就输入低电平

外部是高阻态时，IO呈现高电平（但是由于上拉电阻阻值很大，电流很小，称为弱上拉）

4.3 输入下拉

与输入上拉同理

空闲时，IO呈现低电平

4.4 模拟功能（也是输入）

施密特触发器关闭，使得信号进入模拟输入（eg：ADC和DAC这两个外设要用）

4.5 开漏输出（Open Drain）

上下拉电阻关闭（别影响输出），施密特触发器打开（可以读取到这个引脚的高低电平）

P-MOS管不导通（G极一直接3.3V高电平，一直不变）

如果ODR（Output Data Register）要输出0，在输出控制器中有一个逻辑非操作，导致N-MOS导通，IO输出0低电平

如果ODR输出1，N-MOS不导通，变成高阻态

（如果想要输出1，IO也输出1，那么需要在外面再多加一个上拉电阻在高阻态时输出1）

（在F4/F7/H7系列中，原来输入驱动器中的上下拉电阻可以兼任这个功能，少接一个上拉电阻）

注意：开漏输出只能输出低电平或者高阻态

4.6 开漏式复用功能

就是不是寄存器来输出，而是复用功能输出

注意：其他外设来控制复用功能的输出

4.7 推挽输出（Push Pull / PP）

上下拉电阻关闭，施密特打开

ODR输出1，P-MOS导通，ODR输出0，N-MOS导通

推挽输出既可以输出高电平也可以输出低电平，驱动能力强（因为没经过电阻，电流较大）

4.8 推挽输出复用功能

你知道的

一个问题：STM32能否输出5V电压？

答：当使用开漏输出，并且外接的上拉电阻的电压是5V才可以

五. GPIO寄存器介绍

对于STM32F407IGT6芯片，有GPIOA到GPIOI，每一个GPIO都有其对应的多个寄存器，而并不是一个寄存器就可以负责多个GPIO

MODER，OTYPER，OSPEEDR，PUPDR都是配置工作模式的，以及输出速度

5.1 端口配置高寄存器（CRH） 端口配置低寄存器（CRL）

一个寄存器有32位，两个寄存器一共64位，对于一个GPIO（eg：GPIOA）有16个口（PA0到PA15），平均分到每一个口上就是4位   eg：如图0到3就是PA0，4到7就是PA1，CRL控制了PA0到PA7，CRH控制了PA8到PA15

要配置相关的模式就要按照上面的改变寄存器的位

注意：如果要选择上拉还是下拉输入，都是选择CNF为10，此时就要选择ODR寄存器来控制，如果ODR是0就是下拉，ODR是1就是下拉（对于F1需要ODR来控制上下拉）

5.2 端口输出数据寄存器（ODR）

ODR寄存器的低16位可以用，但是高16位保留，始终记为0，所以PA0到PA15每一个口分到了一个位

ODR可读可写，如果要PC10这个口输出高电平3.3V，就将ODR10写为1

5.3 端口输入数据寄存器（IDR）

一个口分配到一个寄存器位

发现IDR是只读的寄存器，如果读到IDR0=1，那么说明PA0被输入了一个高电平

5.4 端口位设置/清除寄存器（BSRR）

set and reset register

BSRR可以控制ODR

BSRR的这些位只能进行写，不能读

BSSR的高16位可以对ODR的低16位进行复位（Set）

BSSR的低16位可以对ODR的低16位进行置位（Reset）

注意：Set的优先级比Reset更高

用ODR直接控制输出和BSSR控制ODR进而控制输出的区别：ODR寄存器在读和修改访问之间产生中断时可能会发生风险；BSRR无风险

eg：如果要修改ODR：GPIOB->ODR = 1<<3;（这句话先读取了ODR的状态，然后再加上了第三位的1进行ODR的修改）先读，再改，再写

而如果修改BSRR：GPIOB->ODR=0x00000008;（将BS3改为1），只有一个写的过程

综上，使用BSRR寄存器更安全

5.5 MODER寄存器（端口模式寄存器）+ 输出类型寄存器OTYPER  + OSPEEDR端口输出速度寄存器 + 端口上下拉寄存器PUPDR

上面是MODER，下面是OTYPER

OSPEEDR（只有输出的时候才会配置速度寄存器，输入的时候不需要配置）

PUPDR

eg：要将PD13变成推挽输出模式：

MODER13设置为01（通用输出）OTYPER13设置为0（推挽输出）OSPEEDR13设置选一个速度

PUPDR13设置为00（推挽不需要上下拉）

可以参考下面表格：

六. 通用外设驱动模型

要驱动某一外设：

step1：初始化

进行时钟设置（开启时钟，选择时钟源），参数设置（选择工作模式等需要选择参数），IO设置（除了GPIO以外的外设，要设置需要哪几个IO，设置IO为复用功能），中断设置（开启中断等操作）

step2：读函数（可选）

从外设读取数据

step3：写函数（可选）

像外设写入数据

step4：中断服务函数（可选）

根据中断标志，处理外设中断

七. GPIO配置步骤

step1：使能时钟 __HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE();

step2：设置工作模式：HAL_GPIO_Init();

step3：设置输出状态（就是写函数）

HAL_GPIO_WritePin();

HAL_GPIO_TogglePin();

step4:读取输入状态（就是读函数）

HAL_GPIO_ReadPin();

7.1 __HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE();

使能时钟：

使用Ctrl+F找到这个宏定义（eg：选择GPIOA的进行搜索）

SET_BIT搜索一下

#define SET_BIT(REG, BIT)     ((REG) |= (BIT))

就是一个或关系，将这个GPIOAEN或到AHB1ENR这个寄存器上，发现后面这个宏就是指代一个第零位，或关系使得第零位变成1，从而完成时钟使能

7.2 HAL_GPIO_Init();

初始化函数，要寻找函数，可以在Keil提供的Function栏目中寻找，

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef  *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init)
{
  uint32_t position;
  uint32_t ioposition = 0x00U;
  uint32_t iocurrent = 0x00U;
  uint32_t temp = 0x00U;

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_ALL_INSTANCE(GPIOx));
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Init->Pin));
  assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_Init->Mode));
  assert_param(IS_GPIO_PULL(GPIO_Init->Pull));

  /* Configure the port pins */
  for(position = 0U; position < GPIO_NUMBER; position++)
  {
    /* Get the IO position */
    ioposition = 0x01U << position;
    /* Get the current IO position */
    iocurrent = (uint32_t)(GPIO_Init->Pin) & ioposition;

    if(iocurrent == ioposition)
    {
      /*--------------------- GPIO Mode Configuration ------------------------*/
      /* In case of Output or Alternate function mode selection */
      if(((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE) == MODE_OUTPUT) || \
          (GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE) == MODE_AF)
      {
        /* Check the Speed parameter */
        assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
        /* Configure the IO Speed */
        temp = GPIOx->OSPEEDR; 
        temp &= ~(GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR0 << (position * 2U));
        temp |= (GPIO_Init->Speed << (position * 2U));
        GPIOx->OSPEEDR = temp;

        /* Configure the IO Output Type */
        temp = GPIOx->OTYPER;
        temp &= ~(GPIO_OTYPER_OT_0 << position) ;
        temp |= (((GPIO_Init->Mode & GPIO_OUTPUT_TYPE) >> 4U) << position);
        GPIOx->OTYPER = temp;
       }

      if((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE) != MODE_ANALOG)
      {
        /* Activate the Pull-up or Pull down resistor for the current IO */
        temp = GPIOx->PUPDR;
        temp &= ~(GPIO_PUPDR_PUPDR0 << (position * 2U));
        temp |= ((GPIO_Init->Pull) << (position * 2U));
        GPIOx->PUPDR = temp;
      }

      /* In case of Alternate function mode selection */
      if((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE) == MODE_AF)
      {
        /* Check the Alternate function parameter */
        assert_param(IS_GPIO_AF(GPIO_Init->Alternate));
        /* Configure Alternate function mapped with the current IO */
        temp = GPIOx->AFR[position >> 3U];
        temp &= ~(0xFU << ((uint32_t)(position & 0x07U) * 4U)) ;
        temp |= ((uint32_t)(GPIO_Init->Alternate) << (((uint32_t)position & 0x07U) * 4U));
        GPIOx->AFR[position >> 3U] = temp;
      }

      /* Configure IO Direction mode (Input, Output, Alternate or Analog) */
      temp = GPIOx->MODER;
      temp &= ~(GPIO_MODER_MODER0 << (position * 2U));
      temp |= ((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE) << (position * 2U));
      GPIOx->MODER = temp;

      /*--------------------- EXTI Mode Configuration ------------------------*/
      /* Configure the External Interrupt or event for the current IO */
      if((GPIO_Init->Mode & EXTI_MODE) == EXTI_MODE)
      {
        /* Enable SYSCFG Clock */
        __HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();

        temp = SYSCFG->EXTICR[position >> 2U];
        temp &= ~(0x0FU << (4U * (position & 0x03U)));
        temp |= ((uint32_t)(GPIO_GET_INDEX(GPIOx)) << (4U * (position & 0x03U)));
        SYSCFG->EXTICR[position >> 2U] = temp;

        /* Clear EXTI line configuration */
        temp = EXTI->IMR;
        temp &= ~((uint32_t)iocurrent);
        if((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE_IT) == GPIO_MODE_IT)
        {
          temp |= iocurrent;
        }
        EXTI->IMR = temp;

        temp = EXTI->EMR;
        temp &= ~((uint32_t)iocurrent);
        if((GPIO_Init->Mode & GPIO_MODE_EVT) == GPIO_MODE_EVT)
        {
          temp |= iocurrent;
        }
        EXTI->EMR = temp;

        /* Clear Rising Falling edge configuration */
        temp = EXTI->RTSR;
        temp &= ~((uint32_t)iocurrent);
        if((GPIO_Init->Mode & RISING_EDGE) == RISING_EDGE)
        {
          temp |= iocurrent;
        }
        EXTI->RTSR = temp;

        temp = EXTI->FTSR;
        temp &= ~((uint32_t)iocurrent);
        if((GPIO_Init->Mode & FALLING_EDGE) == FALLING_EDGE)
        {
          temp |= iocurrent;
        }
        EXTI->FTSR = temp;
      }
    }
  }
}

这个函数的两个输入都是结构体指针类型，打开这两个结构体的定义

GPIO_TypeDef结构体包含GPIO的各个寄存器

如果要调用GPIOB的Init函数，第一个形参可以直接写GPIOB

看一下，GPIOB_BASE是GPIOB的基地址，将其强转为一个结构体指针类型，现在就是一个首地址指向基地址的一个指针，所以可以直接写这个指针

GPIO_InitTypeDef结构体定义了Pin，Mode等

Pin等内容不是随便输入的，需要有一个参考值，看到后面的注释，发现给出了reference，Pin可以参考后面的GPIO_pins_define，然后搜索这个关键词，得到下面的详细定义

如果要选哪一个Pin，就可以参考相应的宏定义

对于Pin需要有参考，其他的结构体成员如Mode也需要参考，同样是上面的方法

这些宏定义的意思都在旁边的注释里面写的很清楚

GPIO_MODE_INPUT：输入模式

GPIO_MODE_OUTPUT_PP：推挽输出(PUSH PULL)

GPIO_MODE_OUTPUT_OD：开漏输出（open Drain）

Alternate表示复用

（Pin表示0到15要选哪一个端口，Mode表示输入输出模式，Pull表示上下拉，Speed表示输出速度，Alternate表示复用）

下面还有其他mode，GPIO还可以有中断和事件的mode，表示上升沿触发或者是下降沿触发

7.3 HAL_GPIO_WritePin();

以一个例子来说明GPIO的用法：

八. 点亮LED

先来看一下板子上LED的原理图：

这是一个共阳的二极管原理图

左边连接着IO口，这里不需要复用功能，只需要通用输出：推挽输出或者开漏输出

推挽输出：输出高电平二极管就熄灭，输入低电平二极管点亮

开漏输出：输出低电平二极管点亮，输出高阻态相当于断路，二极管熄灭

如果是共阴极那么开漏就不能满足上面的要求（因为高阻态和输出低电平LED都是熄灭的）

下面开始新建工程开始写代码：

先新建两个文件：led.c,led.h,并且保存在BSP文件夹中

在MDK里面添加这两个文件及其路径

led.h文件如下：

#ifndef __LED_H
#define __LED_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"


#endif

就是防止重定义，并且include  sys.h文件

led.c文件如下：

#include "./BSP/LED/led.h"//同样先include头文件


void led_init(void)//定义led初始化函数
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;//先定义一个结构体，方便后面调用HAL库的GPIO初始化函数
    
     __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
//使能GPIOF的时钟（因为在F4探索者开发板中LED连接在PF9和PF10口上了）
    
//下面依次设置结构体，然后传入初始化函数进行GPIO工作模式的配置
    gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_9;//PF9
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;//PushPull 推挽输出
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;//选择低速
    
    HAL_GPIO_Init(GPIOF,&gpio_init_struct);  //要将结构体取址再输入
    
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_SET);//初始化结束后输出一个高电平
    
}

led.c只定义了一个led的初始化函数：使能时钟，先用HAL库对GPIO进行初始化，初始化以后再GPIO输出一个高电平，使得led熄灭

main.c文件如下：

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"//记得这个新的头文件



int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
    delay_init(168);                    /* 延时初始化 */
    led_init();                         /* 初始化LED */
    
    while(1)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_RESET);     /* LED0 亮 */
        delay_ms(500);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_SET);       /* LED0 灭 */
        delay_ms(500);
        
        
        
    }
}

这样就可以看到一个LED灯的闪烁

九. 按键控制LED亮灭

已知按键有抖动，抖动时间大约在5到10ms，要进行消抖（软件消抖和硬件消抖，详见51单片机介绍）

要分析这几个GPIO口的工作模式，因为都是输入且不是模拟输入，所以可能是输入上拉，下拉，浮空

对于WK_UP这个IO口，选择输入下拉，按键按下输入高电平，按键不按下是高阻态，就输入低电平

同理KEY0到KEY2配置为输入上拉

代码如下：

key.c文件：

#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"


/* 按键初始化函数 */
void key_init(void)//定义led初始化函数
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;//先定义一个结构体，方便后面调用HAL库的GPIO初始化函数
    
     __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();

    gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_2;//PE2
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;//输入模式
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;//选择上拉
    
    HAL_GPIO_Init(GPIOF,&gpio_init_struct);  //要将结构体取址再输入
    

}

/* 按键扫描函数 */
uint8_t key_scan(void)
{
    if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE, GPIO_PIN_2) == 0) 
    {
        delay_ms(10);/* 延时10ms躲过抖动 */
        if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE, GPIO_PIN_2) == 0)
        {
            while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE, GPIO_PIN_2) == 0);/* 只要按下就一直保持在这条语句，松开按键才能返回结果 */
             return 1; /* 按键按下了 */
        }
    }
    
    return 0; /* 按键没有按下 */
    
    
    
}

新增了key_scan()函数