【嵌入式学习笔记】嵌入式入门1——GPIO

1.什么是GPIO

General Purpose Input Output，即通用输入输出端口，简称GPIO，作用是负责采集外部器件的信息或者控制外部器件工作，即输入输出。
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2.STM32 GPIO简介

2.1.GPIO特点

  • 不同型号，IO口数量可能不一样，可通过选型手册快速查询
  • 快速翻转，每次翻转最快只需要两个时钟周期（F1最高速度可以到50Mhz）
  • 每个IO口都可以做中断
  • 支持8种工作模式

2.2.GPIO电气特性

  • STM32工作电压范围——2 V ≤ VDD ≤ 3.6 V

  • GPIO识别电压范围——COMS端口-0.3V ≤ VIL ≤ 1.164V，1.833V ≤ VIH ≤ 3.6V，部分兼容TTL

  • GPIO输出电流——单个IO，最大25mA

详情参考STM32的数据手册

2.3.GPIO引脚分布

STM32引脚类型：电源引脚、晶振引脚、复位引脚、下载引脚、BOOT引脚、GPIO引脚

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IO引脚分布特点：按组存在、组数视芯片而定、每组最多16个IO引脚

3.IO端口基本结构介绍

  • F1系列IO端口基本结构
    ① 保护二极管
    ② 内部上拉、下拉电阻
    ③ 施密特触发器
    ④ P-MOS & N-MOS管
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  • F4/F7/H7系列IO端口基本结构
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  • 施密特触发器：施密特触发器就是一种整形电路，可以将非标准方波，整形成方波
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  • P-MOS & N-MOS管：MOS管是压控型元件，通过控制栅源电压（ Vgs ）来实现导通或关闭
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4.GPIO的八种模式分析

模式特点及应用
浮空输入输入用，完全浮空，状态不定
上拉输入输入用，用内部上拉，默认是高电平
下拉输入输入用，用内部下拉，默认是低电平
模拟功能ADC、DAC
开漏输出软件IIC的SDA、SCL等
推挽输出驱动能力强，25mA（max），通用输出
开漏复用片上外设功能（硬件IIC 的SDA、SCL引脚等）
推挽复用片上外设功能（SPI 的SCK、MISO、MOSI引脚等

4.1.浮空输入

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4.2.上拉输入

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4.3.下拉输入

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4.4.模拟功能

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4.5.开漏输出

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4.6.推挽输出

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4.7.开漏复用

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4.8.推挽复用

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4.9.F4/F7/H7系列和F1系列的GPIO差异点

  • F1在输出模式，禁止使用内部上下拉，F4/F7/H7在输出模式，可以使用内部上下拉
  • 不同系列IO翻转速度可能不同

【STM32能输出5V的电平吗？——可以，兼容5V的引脚可以】

5.GPIO寄存器介绍

在F1系列和F4/F7/F7系列的GPIO中，选择GPIO模式的寄存器不同，控制输入输出的寄存器相同
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5.1.F1/F4/F7/H7相同GPIO寄存器

  • 端口输入数据寄存器IDR——用于判断IO引脚的电平
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  • 端口输出数据寄存器ODR——用于设置IO引脚输出的电平
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  • 端口位设置/清除寄存器BSRR——用于设置ODR寄存器
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5.2.F1系列特有GPIO寄存器

  • 端口配置低/高寄存器CRL/CRH——设置工作模式、输出速度
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5.3.F4/F7/H7系列特有GPIO寄存器

  • GPIO 端口模式寄存器MODER——用于设置模式
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  • GPIO 端口输出类型寄存器OTYPER——用于设置输出类型
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  • GPIO 端口输出速度寄存器OSPEEDR——用于设置IO的输出速度
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  • GPIO 端口上拉/下拉寄存器（PUPDR）用于设置上拉/下拉电阻
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5.4.F1系列与F4/F7/H7系列工作模式配置

  • F1系列
    输入上拉/下拉电阻通过ODR寄存器来设置
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  • F4/F7/H7系列
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5.5.ODR和BSRR寄存器控制输出的区别

ST官方给的答案：使用ODR，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。建议使用BSRR控制输出

ODR修改：读->改->写
GPIOB->ODR |= 1 << 3;         	/* PB3 = 1 */
BSRR修改：写 
GPIOB->BSRR = 0x00000008;      	/* PB3 = 1 */

6.通用外设驱动模型（四步法）

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7.GPIO配置步骤

  • 使能时钟 __HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()

  • 设置工作模式 HAL_GPIO_Init()

  • 设置输出状态（可选） HAL_GPIO_WritePin() 、HAL_GPIO_TogglePin()

  • 读取输入状态（可选） HAL_GPIO_ReadPin()
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  • 关键结构体

// F1
typedef struct 
{ 
  uint32_t Pin;        	/* 引脚号 */ 
  uint32_t Mode;   		/* 模式设置 */ 
  uint32_t Pull;       	/* 上拉下拉设置 */ 
  uint32_t Speed;  		/* 速度设置 */ 
} GPIO_InitTypeDef;
// F4/F7/H7
typedef struct 
{ 
  uint32_t Pin;    		/* 引脚号 */ 
  uint32_t Mode;        /* 模式设置 */ 
  uint32_t Pull;        /* 上拉下拉设置 */ 
  uint32_t Speed;       /* 速度设置 */
  uint32_t Alternate; 	/* 复用功能 */
} GPIO_InitTypeDef;

8.编程实战：点亮一个LED灯/跑马灯

分析IO输出模式——推挽输出
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9.编程实战：通过一个按键控制一个LED灯亮灭

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【编程实战代码暂不贴出】

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