基于stm32cubemx的GPIO输出

一、前提

学习了STM32CubeMX，但是网上教程很多都是只是过程，没有太多细致的东西，所以自己写一下，有啥错误，请各位大佬指教，互相学习。

二、工具：

1、芯片：STM32F407ZGT6
2、软件：MDK-Keil、STM32CubeMx

三、实验场景

GPIO的输出，LED开关

四、工作原理

1、相关寄存器

MODER寄存器，该寄存器是 GPIO端口模式控制寄存器，用于控制

OTYPER寄存器，该寄存器用于控制 GPIOx的输出类型，该寄存器各位描述见表

OSPEEDR寄存器，该寄存器用于控制 GPIOx的输出速度

PUPDR寄存器，该寄存器用于控制 GPIOx的上拉 /下拉

2、硬件原理

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。所以在实际的设计中我们要考虑设计引脚的保护电路。
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。同样，如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是我们所说的浮空模式。浮空模式下，引脚的电平是不可确定的。引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。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
对于标准施密特触发器，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，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟
滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。
④P-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。
GPIO八种工作模式

1、输入浮空
输入浮空模式：
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。

2、输入上拉
输入上拉模式：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、输入下拉
输入下拉模式：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。

4、模拟功能
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。该模式用于 ADC采集或者 DAC输出，或者低功耗下省电。

5、开漏输出
开漏输出模式：
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 。根据 《 STM32F4xx参考手册 _V4（中文版 ）.pdf》 第 183页关于 GPIO输出配置 的 描述 ，我 们可以推知 开漏模式下 输出电路 大致是这 样工作的：
⚫ P-MOS被“输出 控制 ”控制 在 截止状态， 因此 IO的状态 取 决于 N-MOS的 导通状况 。
⚫ 只 有 N-MOS还受 控制于 输出 寄存器 输出控制器 对 输入信号 进行了 逻辑 非的操作 。
⚫ IO到输入电路 的 采 样电路仍 被打开 且 可以选择是否使用 上 下拉电阻 。
根据参考手册的描述，我们替换
了 “输出 控制 ”部分 作出了如图 13.1.2.7的开漏模式下的简化等效图，图 13.1.2.7中①的输入对应的 ② 的 输出是我们 最 关心的 开 漏输出的结果。简化后的 图 13.1.2.7能 更好 地 表示 开漏输出模式的 输出 关系 。
开漏输出的具体的理解描述如下
开漏模式下，P-MOS管是一直截止的，所以 P-MOS管的栅极一直接 VSS。如果输出数据
寄存器设置为 0时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑 1到 N-MOS管的栅极，这
时 N-MOS管就会导通，使得 I/O引脚接到 VSS，即输出低电平。
如果输出数据寄存器设置为1时，经过“输出控制器”的逻辑非操作后，输出逻辑 0到 N-MOS管的栅极，这时 N-MOS管就会截止。因为 P-MOS管是一直截止的，使得 I/O引脚呈现高阻态，即不输出低电平，也不输出高电平。因此要 I/O引脚输出高电平就必须接上拉电阻。这时可以接内部上拉电阻，或者接一个外部上拉电阻。由于内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”。需要大电流驱动，请接外部的上拉电阻。此外，上拉电阻具有线与特性，即如果有很多开漏模式的引脚连在一起的时候，只有当所有引脚都输出高阻态，电平才为 1，只要有其中一个为低电平时，就等于接地，使得整条线路都为低电平 0。我们的 IIC通信（ IIC_SDA）就用到这个原理。
另外在开漏输出模式下，施密 特触发器是打开的，所以 IO口引脚的电平状态会被采集到输入数据寄存器中，如果对输入数据寄存器进行读访问可以得到 IO口的状态。也就是说开漏输出模式下，我们可以对 IO口进行读数据。

6、推挽输出
推挽输出模式：
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。同 样地， 我 们 根据参考 手册 推 挽模式下 的 输出 描述 ，列出等效原理 如 图 13.1.2.8所示，根据手册 描述可以把 “输出 控制 ”简单 地等效为一个 非 门 。
推挽输出的具体的理解描述如下：
如果输出数据寄存器设置为0时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑 1到 P-MOS管的栅极，这时 P-MOS管就会截止，同时也会输出逻辑 1到 N-MOS管的栅极，这时 N-MOS管就会导通，使得I/O引脚接到 VSS，即输出低电平。
如果输出数据寄存器设置为1时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑 0到 N-MOS管的栅极，这时 N-MOS管就会截止，同时也会输出逻辑 0到 P-MOS管的栅极，这时 P-MOS管就会导通，使得 I/O引脚接到 VDD，即输出高电平。
上面的描述可以知道，推挽输出模式下，P-MOS管和 N-MOS管同一时间只能有一个 MOS管是导通的。 当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有很大的提高。
另外在推挽输出模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO口的电平状态。
由于推挽输出模式输出高电平时，是直接连接VDD ，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达 25mA。该模式也是最常用的输出模式。

7、开漏式复用功能
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，我们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。
另外在开漏式复用功能模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO口的电平状态，同时外设可以读取 IO口的信息。

8、推挽式复用功能
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这里不再赘述。

五、工程创建

1、设置RCC

Disable：禁用外部时钟
BYPASS Clock Source：外部有源晶振（旁路时钟源）
Crystal/Ceramic Resonator:外部无源晶振（陶瓷晶振）
HSE和LSE我们都选择Crystal/Ceramic Resonator

2、设置SYS

Timebase Source：时钟源，我们选择SysTick（滴答定时器）
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/6c0b5109748f4ced9847561081e691f4.png

网上有人说Debug必须选择serial wire，不然只能下载一次，我试过F0，F1，F4的，其实只要对应的引脚不复用为其他功能，我到现在都没遇到过这种问题。不过既然有人写出来，那应该是有的，所以我这里还是选择一下。

3、设置引脚

1、GPIO output level（输出电平）：Low（低电平），High（高电平）

2、GPIO mode（引脚模式）：Output Push Pull（推挽输出）Output Open Drain（开漏输出）

3、GPIO Pull-up/Pull-dowm（上拉/下拉）：No pull-up and no pull-dowm（无上下拉）Pull-up（上拉）Pull-down（下拉）

4、Maxinum output speed （引脚速度）：Low（低）Medium（中）High（高）Very High（最高）

5、User Label（给引脚设置名称）

4、配置时钟源

5、生成工程程序

注意，存储目录不能有中文，不然就会出现报错


点击GENERATE CIDE即可生成项目

六、程序解析

1、生成的工程文件

2、main函数

3、main.h
User Label（给引脚设置名称）

4、gpio.c

以上的这些其实都是软件中测试的生成的

七、stm32f4xx_hal_gpio库讲解

https://blog.youkuaiyun.com/weixin_42892212/article/details/141627479?spm=1001.2014.3001.5501

八、添加代码

在main中添加下列代码

九、实验现象