STM32-GPIO编程

一、GPIO

1.1 基本概念

GPIO（General-purpose input/output）通用输入输出接口

--GP 通用

--I input输入

--o output输出

通用输入输出接口GPIO是嵌入式系统、单片机开发过程中最常用的接口，用户可以通过编程灵活的对接口进行控制，实现对电路板上LED、数码管、按键等常用设备控制驱动，也可以作为串口的数据收发管脚，或AD的接口等复用功能使用。其作用和功能是非常重要的。

1.2实际应用

input 输入-数据采集 按键、光照（光敏传感器）、ADC、各种传感器

output 输出 - 设备控制 LED灯、数码管、继电器（小控大）

二、功能描述

1、IO结构框图

保护二极管：(1)电压过大，有保护作用；(2)反向电动势。

上拉电阻：上拉电阻是一种用于数字电路中的电阻元件，它的作用是将信号线拉高到高电平（逻辑1）状态。当信号线不被其他元件拉低时，上拉电阻会将信号线连接到正电源，使其保持在高电平状态。

施密特触发器：电压比较器    例如 0  <= 0.7       1>=1.7

写——>置位/复位寄存器：只能写1（0到15是置位，16到31是复位）

输出控制：使用反相器 

问：VDD、VSS、VCC分别表示什么意思？

           VCC ：接入电路的电压

           VDD :  元器件内部的工作电压

           VSS :  公共接地端电压

问：施密特触发器的作用？

由于外部输入的信号，可能会出现脉冲等噪声的影响，为了让信号更加清晰，所以就设置了TTL施密特触发器来进行整形。

问：模拟信号和数字信号的区别？

1、时间连续性不同：

1）模拟信号时间上是连续的；

2）数字信号时间上不是连续的。

2、幅度变化不同：

1）模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。

2）数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。

3、信号传输方式不同：

1）模拟信号是用模拟量的电压或电流来表示的电信号；

2）数字信号是通过0和1的数字串所构成的数字流来传输的。

4、保密性不同：

1）模拟信号的微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。

2）数字信号保密性较强，语音信号可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再变换还原成模拟信号。

1. 功能详述

浮空输入

IO端口 -  施密特触发器 - 输入数据寄存器 - 读

通俗讲就是让管脚什么都不接，悬空着。

此时VDD和VSS所在路径的两个开关同时断开。因为没有上拉和下拉，所以当IO口没有接输入的时候，此时的电平状态会是一个不确定的值，完全由外部输入决定。

由于浮空输入一般多用于外部按键输入，结合图上的输入部分电路，浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定，如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的，易受干扰。 

优势：

这一种输入模式的电平会完全取决于外部电路而与内部电路无关。

      缺点：

在没有外部电路接入的时候，IO脚浮空会使得电平不确定

应用：

该模式是STM32复位之后的默认模式，一般用作对开关按键的读取或用于标准的通讯协议，比如IIC、USART的等。

上拉输入 

 IO端口  -   上拉电阻  -  施密特触发器 - 输入数据寄存器 - 读

输入的电平不会因上下浮动而导致输入信号不稳定，当外部没有信号输入时，上拉电阻会将输入信号钳在高电平，此时引脚始终读到高电平信号。

下拉输入 

 IO端口  -   下拉电阻  -  施密特触发器 - 输入数据寄存器 - 读

输入的电平不会因上下浮动而导致输入信号不稳定，当外部没有信号输入时，下拉电阻会将输入信号钳在低电平，此时引脚始终读到低电平信号。

模拟输入 

IO端口 - 片上外设模块(电压信号)

信号进入后不经过上拉电阻或者下拉电阻，关闭施密特触发器，经由另一线路把电压信号传送到片上外设模块。 所以可以理解为模拟输入的信号是未经处理的信号，是原汁原味的信号。

应用：当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，则需要选择“模拟输入”功能，因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态，所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。

开漏输出 

推挽 开漏 高阻 这都是谁想出来的词？？_哔哩哔哩_bilibili

开漏输出：PMOS不使用

输出寄存器上的的’0’激活 N-MOS，输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态 (P-MOS 从不被激活 )。 

无法真正输出高电平，即高电平时没有驱动能力，需要借助外部上拉电阻完成对外驱动。

可以利用改变上拉电源的电压来适应所需，进而提高外部电路的驱动能力。

MOS管的漏极等于啥也没接，处于一个开路状态，所以这个模式称之为开漏模式。

优势1：

虽然我们可以看到开漏输出是没有办法在内部输出一个高电平，但是这一个看似是缺点。其实实际上是一种优点。当给一个低电平的时候，MOS管没有导通，此时电压不确定导致无法输出高电平，但是一旦我们在外部增加一个上拉，那么这一个缺点就会被有效避免。并且，因为是我们自己设计一个上拉，这个上拉的电压是由我们自己确定，这样我们就可以根据外部电路需要多少V的高电平来给这一个上拉的电压，可以更好的适应更多情况。如下图，我们可以给定任意的VDD电压，来适应我们实际所需要的情况。

优势2：

开漏输出的实质其实就是一个OD门（OD：漏极输出(Open Drain)）。而在数电中，OD门有一个非常重要的特性就是可以实现线与的功能，简单来说，就是在像IIC这样的总线协议中，只要有一个给低电平，那么总线都会被拉低。

    推挽输出

输出数据寄存器'0'——>输出控制‘1’——>NMOS激活

输出数据寄存器'1'——>输出控制‘0’——>PMOS激活

输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活P-MOS。

具备输出高低电平的能力。

推挽输出就是可以需要利用两个不同的MOS管来实现输出。

推挽输出模式下（P-MOS管+N-MOS管），通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，途经P-MOS管和N-MOS管，最终输出到I/O端口。

开漏和推挽的区别

三、GPIO相关寄存器

     4 个 32 位 配 置 寄 存 器 

           GPIOx_MODER       模式寄存器

           GPIOx_OTYPER      输出模式寄存器

           GPIOx_ OSPEEDR  输出速度寄存器

           GPIOx_PUPDR        上拉下拉寄存器

2 个 32 位数据寄存器 

           GPIOx_IDR      输入数据寄存器

           GPIOx_ODR    输出数据寄存器

      1个 32 位置位 / 复位寄存器 

           GPIOx_BSRR  置位 / 复位寄存器

       2 个 32 位复用功能寄存器 

           GPIOx_AFRH 

           GPIOx_AFRL

四、寄存器详细讲解

（英文参考手册151页）

使能时钟寄存器(RCC_IOPENR)

偏移地址：偏移地址就是计算机里的内存分段后,在段内某一地址相对于段首地址(段地址)的偏移量。

  如8086存储系统中 20位的物理地址(就是数据存储的实际地址)=16位的段基地址*16+16位的偏移量  (0X34)

以下是STM32F051的  （101页）

GPIO端口模式寄存器（GPIOx_MODER）(x=A...D,F)

偏移地址：0x00

复位值：

0xEBFF FFFF 端口A

0xFFFF FFFF 其他口

GPIO 端口输出类型寄存器 (GPIOx_OTYPER) (x = A..D,F) 

偏移地址：0x04 

复位值： 0x0000 0000

GPIO 口输出速度寄存器 (GPIOx_OSPEEDR) (x = A..D,F)

偏移地址：0x08 

复位值： 0x0000 0000

GPIO 口上拉 / 下拉寄存器 (GPIOx_PUPDR) (x = A..D,F) 

偏移地址：0x0C 

复位值：

0x2400 0000 端口 A

0x0000 0000 其它端口

GPIO 端口输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) (x = A..D,F) 

偏移地址：0x10 

复位值： 0x0000 XXXX (X 表明不定 )

GPIO 端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) (x = A..D,F) 

偏移地址：0x14 

复位值： 0x0000 0000

GPIO 端口置位 / 复位寄存器 (GPIOx_BSRR) (x = A..D,F) 

偏移地址：0x18 

复位值：0x0000 0000

端口位复位寄存器(GPIOx_BRR) (x=A..G) 

偏移地址：0x28 

复位值： 0x0000 0000

五、点亮一盏LED灯

1 实验步骤

   1.查看开发板实物，找到LED灯

   2.查看底板原理图

要让LED2亮，则为低电平

只要将PB2配置为低电平，灯就点亮

2 编程实现

 寄存器分析

RCC->IOPENR |= 1<<1;

配置PB2为输出模式

GPIOB->MODER  &=  ~(0X3<<4); //先清零

GPIOB->MODER   |= 1<<4; //后置位

选择推挽输出模式

GPIOB->OTYPER  &= ~(1<<2);

GPIOB->ODR  &= ~(1<<2);

MX配置

代码编写

	//使能GPIO端口的时钟
	RCC->IOPENR |= 1<<1;				//配置GPIO为输出模式
	GPIOB->MODER &= ~(0X3<<4);	//先清零
	GPIOB->MODER |= 1<<4;	//后置位//选择推挽输出模式
	GPIOB->OTYPER &= ~(1<<2);//控制引脚输出低电平
	GPIOB->ODR &= ~(1<<2);

版本2：使用STM32CubeMX工具

六、HAL库函数分析

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)

功能： 设置或清除指定的端口位

参数：GPIO_TypeDef *GPIOx  端口号

           uint16_t GPIO_Pin         引脚号

           GPIO_PinState PinState  电平状态

                        GPIO_PIN_SET         1 

                        GPIO_PIN_RESET    0

返回值：无

void HAL_GPIO_TogglePin (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t  GPIO_Pin) 

功能： 切换指定的引脚电平状态

参数：GPIO_TypeDef * GPIOx  端口号

            uint16_t  GPIO_Pin     引脚号

返回值：无

GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin (GPIO_TypeDef * GPIOx,  uint16_t GPIO_Pin) 

功能： 读取指定的引脚电平状态

参数：GPIO_TypeDef * GPIOx  端口号

            uint16_t  GPIO_Pin     引脚号

返回值：GPIO_PinState 电平状态

              GPIO_PIN_RESET   0

              GPIO_PIN_SET        1

利用HAL库函数实现LED灯闪烁

练习：实现流水灯效果

方法一：

方法二：

1. 实验：按键控制LED灯亮灭（输入）

1. .查看实物找到按键和控制的LED灯

    五向按键 - S1

1. 查看原理图  

MX配置

所有的机械元件都有抖动问题

关于消抖问题

写法一：延时消抖

写法二：抬手检测