【STM32】GPIO

一、GPIO简介

1. 基本介绍

GPIO是通用输入输出端口的简称，STM32芯片通过GPIO与外设连接，从而实现与外设的数据收发。

  • 最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平，实现开关控制。如把GPIO引脚接入到LED灯控制LED亮灭，或者接入到三极管控制外部大功率电路的通断。
  • 最基本的输出功能是检测外部输入的高、低电平。如通过读取引脚的电平来区分按键是否被按下。
在这里插入图片描述

STM32的GPIO被分成了很多组/端口(Port)，每个Port有16个引脚(Pin)，如STM32F103ZET6芯片就有GPIOA~GPIOG 7个端口144个引脚，部分引脚除了作为GPIO使用之外，还有其它专用功能在复用。在这里插入图片描述

2. 工作模式

GPIO有8中工作模式，如图所示
在这里插入图片描述

浮空输入：由于没有接上拉电阻或下拉电阻，电平的高低完全取决于外部的输入，所以浮空输入电平极易受到外界的干扰，一般接按键会用到这个模式。

开漏输出等效电路如下图

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  • 工作原理：Ug为高电平时，NMOS关闭，所以外部必须要接上拉电阻，此时OUT输出VDD电压，否则OUT既不输出高电平不输出低电平，为高阻态；Ug为低电平时，NMOS导通，OUT输出接地电压0V
  • 特性：开漏电路具有“线与”特性，即若有多个开漏模式的引脚连接到一起，只有所有都是高阻态时才会输出上来电阻电压，否则只要有一个引脚是低电平，整条线路都会输出低电平0V
  • 应用场景：一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”的总线电路中，或者在驱动电平与输出电平不匹配的场景，如需要输出5V时，而由于STM32的GPIO引脚实际输出的是3.3V，此时就可以通过外部的上拉电阻来输出5V

推挽输出等效电路如下图

在这里插入图片描述

  • 工作原理：输出一个高电平经过反向器后，PMOS得到一个低电平后会导通，NMOS得到一个高电平后关闭，此时OUT对外输出高电平；输出一个低电平时经反相器后，PMOS关闭，NMOS导通，此时OUT对外输出一个低电平。
  • 特性：推挽输出高电平为3.3V，低电平为0V，当引脚高低电平切换时，两个MOS管轮流导通输出高低电平，提高了负载能力和开关速度。
  • 应用场景：一般应用在输出电平为0和3.3V高速切换开关状态的场合，STM32中，除了必须用开漏模式，一般更习惯用推挽输出模式。

3. 框图分析

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1. 保护二极管

  • 两个二极管可以防止引脚外部输入过高或者过低的电压时，对芯片进行损坏，当引脚电压高于Vdd时上方二极管导通，电流不会进入芯片，当引脚电压低于Vss即负电压时下方二极管导通，电路不会吸取芯片的电流。以此防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。
  • 即便如此，引脚也不可以直接驱动大功率器件时，如直接用引脚驱动电机，要么芯片烧毁，要么电机不转。

2. 输入、输出驱动器

  • 输入驱动器
    • 上拉电阻和下拉电阻，作用通俗来讲就是赋初值，当两个开关都是断开时就是浮空输入，
    • TTL肖特基触发器，作用就是将输入的模拟电压转为高低电平，如果要读取模拟数据，则不需要经过TTL肖特基触发器。
  • 输出驱动器。电路通过反向P-MOS和反向N-MOS，来实现了推挽输出和开漏输出两种模式。
    • 推挽输出：此时两个MOS管都会工作，控制输出高电平时，PMOS导通，NMOS关闭，电路输出Vdd电平；控制输出低电平时，PMOS关闭，NMOS导通，电路输出Vss电平。
    • 开漏输出：此时PMOS是无效的，只有NMOS工作。控制输出高电平时，电路为高阻态不输出电平，要想获取电平只能靠GPIO外部的电源；控制输出低电平时，NMOS导通，电路输出Vss电平

3. 输出数据寄存器

  • 通过写程序来设置输出数据寄存器GPIOx_ODR的值，以此来实现输出控制高低电平image-20230630232227368

  • 置位/复位寄存器GPIOx_BSRR可以通过修改输出数据寄存器的值来影响电路的输出

在这里插入图片描述

4. 复用功能输出

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  • GPIO的引脚除了当作STM32芯片的通用IO口使用之外，还有其它片上外设也可以对其进行控制，即为了减少引脚的数量而对引脚进行了复用，通过输出控制前的选择器来选择数据来源于输出数据寄存器还是片上外设
  • 如进行串口通信，需要进行数据发送时，就可以将UARTx_TX对应的GPIO引脚配置成USART串口复用功能，然后通过该引脚发送数据

5. 输入数据寄存器：就是将肖特基触发器转换后的0/1数字信号，存储到输入数据寄存器中GPIOx_IDR中，通过读取该寄存器就可以知道该该GPIO引脚的电平image-20230630234404716

6. 复用功能输入与复用功能输出类似，不多介绍

7. 模拟输入：一般用于ADC采集电压，此时信号不经过肖特基触发器，从而得到ADC外设采集到的原始模拟信号

4. 寄存器

GPIO配置寄存器：GPIO的每个端口都有2个对应的端口配置寄存器，端口上的每个引脚需要4位来进行配置，因此每个寄存器只能配置8个引脚，所以每个端口的16个引脚需要2个寄存器来配置。

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  • 输入模式：肖特基触发器打开，可以通过GPIOx_IDR寄存器读取IO状态，此时GPIOx_ODR无效。
  • 推挽/开漏输出模式：推挽输出时双MOS管都工作，开漏输出时只有NMOS工作，可以同GPIOx_ODR寄存器输出高低电平，此时输出速度配置的越高功耗越大。输出模式时，肖特基触发器是打开的，所以即便是输出模式也可以通过GPIOx_IDR读取IO的实际状态。
  • 复用推挽/开漏输出：复用功能模式时可以配置输出使能和速度，此时GPIOx_ODR无效，但可以通过GPIOx_IDR寄存器读取IO状态，一般直接用外设寄存器来获取。

端口输入数据寄存器

image-20230701002027308

端口输出数据寄存器

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端口位设置/清除寄存器

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二、程序示例

1. GPIO输出——点亮LED

1.1 原理图

  • LED_R/G/B分别与GPIO的PB5/0/1相连
  • LED共阳极，因此当GPIO输出低电平时LED点亮，高电平LED灭

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1.2 配置寄存器

控制LED为输出

  • GPIOB_CRL的[MODE0/1/5]配置为输出模式，最大速度50MHz(此处对最大速度无要求，随便选一个即可)
  • GPIOB_CRL的[CNF0/1/5]配置为通用推挽输出模式

控制LED灯亮

  • GPIOB_ODR的[ODR0/1/5]配置为0，或者对GPIOB_BSRR的[BR0/1/5]置1并且对[BS0/1/5]清0

控制LED灯灭

  • GPIOB_ODR的[ODR0/1/5]配置为1，或者对GPIOB_BSRR的[BS0/1/5]置1

1.3 程序示例

/* --------------------bsp_gpio_led.h--------------------- */
/* 自定义数据结构 */
#define LED_PORT		GPIOB

typedef enum
{
	LED_R = GPIO_Pin_5,
	LED_G = GPIO_Pin_0,	
	LED_B = GPIO_Pin_1,	
}LED_Typedef;

/* -------------------bsp_gpio_led.c--------------------- */
void GPIO_LED_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin  	= LED_R;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed 	= GPIO_Speed_2MHz;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode 	= GPIO_Mode_Out_PP;

	
	GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

void GPIO_LED_On(LED_Typedef LED_Type)
{
	GPIO_ResetBits(LED_PORT, (uint16_t)LED_Type);
}
void GPIO_LED_Off(LED_Typedef LED_Type)
{
	GPIO_SetBits(LED_PORT, (uint16_t)LED_Type);
}

2. GPIO输入——检测按键

2.1 原理图

在这里插入图片描述

  • 由于下拉GND的存在，当松开按键时，PA0和PC13引脚读取到低电平
  • 按下按键时，3V3导通，PA0和PC13读取到高电平

2.2 数据手册

在这里插入图片描述

2.3 示例代码

/* --------------------bsp_gpio_key.h--------------------- */
#define KEY1_PORT		GPIOA
#define KEY2_PORT		GPIOC

typedef enum
{
	KEY1 = GPIO_Pin_0,
	KEY2 = GPIO_Pin_13
}KEYNum_Typedef;

typedef enum
{
	Key_Relase,
	Key_Press
}KEYStatus_Typedef;

/* --------------------bsp_gpio_key.c--------------------- */
void GPIO_KEY_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin  	= KEY1;
  	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode 	= GPIO_Mode_IN_FLOATING;

	GPIO_Init(KEY1_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

/* 返回指定按键的状态 */
KEYStatus_Typedef GPIO_KEY_Status(KEYNum_Typedef KEYNum)
{
	KEYStatus_Typedef ret_status;
	if(KEYNum == KEY1)			
		ret_status = GPIO_ReadInputDataBit(KEY1_PORT, KEYNum);
	else			
		ret_status = GPIO_ReadInputDataBit(KEY2_PORT, KEYNum);
		
	return ret_status;
}

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