三、GPIO

3.1 GPIO介绍

3.1.1 GPIO输出

• GPIO（Gneral Purpose Input Output）通用输入输出口（I/O口）

• 根据使用场景可配置为8种输入输出模式

• 引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V（对于输入而言，但是输出最大是3.3V，因为供电是3.3V）

• 输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议（I2C、SPI）输出时序等，如果是功率比较大的设备，只需要再加入驱动电路即可

• 输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入（光敏、热敏电阻）、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等

3.1.2 GPIO基本结构

在STM32中，所有的GPIO都是挂载在APB2外设总线上的。

命名规则是：GPIOA、GPIOB、GPIOC……

每个GPIO外设，总共有16个引脚，编号是从0到15，PA0、PA1……PA15

内核可以通过APB2总线对寄存器（32位）进行读写，以完成输出电平和读取电平的功能，驱动器可以增大驱动能力

3.1.3 GPIO位结构（电路如何工作）

左边部分是寄存器，中间是驱动器，右边是某一个IO口的引脚，整体可以分为两个部分，上面是输入部分，下面是输出部分

输入部分

右边接两个保护二极管，对输入电压进行限幅，上方连VDD（芯片供电正极） 3.3V，下方接VSS（芯片供电负极） 0V，保证电压在这个范围内

两个开关可以控制上拉和下拉输入模式，上面导通就是上拉，下面导通就是下拉，如果都断开就是浮空输入模式。接入上拉电阻，当引脚悬空时们还有上拉电阻来保证引脚的高电平，所以上拉输入又可以称作是默认为高电平的输入模式，下拉同理，默认为低电平的输入模式。

施密特触发器：如果输入电压大于某一阈值，输出就会瞬间升为高电平，如果输入电压小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平，其余状态保持不变；数字信号在输入的时候会产生各种失真，该触发器可以有效避免因信号波动造成的输出抖动现象

红色为失真的数字信号，蓝色为经过施密特触发器的信号

经过触发器的信号直接进入输入数据寄存器，上面两条线路是连接到片上外设的一些端口

输出部分

数字部分可以由输出数据寄存器或片上外设控制，两种控制方式通过数据选择器接到了输出控制部分

位设置/清除寄存器：可以用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位，因为输出数据寄存器同时控制16个端口，并且寄存器只能整体读写，如果想单独控制需要别的方式，第一种方式是先读出这个寄存器，然后用按位与和按位或的方式更改某一位，然后再将更改后的数据写回去，但是效率不高。第二种方式是操作该寄存器，如果要对某一位进行置1的操作，在位设置寄存器的对应位写1即可，剩下不需要的位写0，如果想置0，就在位清楚寄存器的对应位写1即可，注意！！！不管是置1还是0都是在不同寄存器位置上写1。

两个MOS管：电子开关，通过代码控制，可以选择推挽（强推模式）、开漏或关闭三种输出方式

推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS均有效，数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，输出高电平，为0时，上管断开，下管导通，输出直接接到VSS，就是输出低电平

开漏输出模式下，数据寄存器为1，下管断开，输出相当于断开也就是高阻模式，为0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平，这个模式只有低电平有驱动能力作为通信协议的驱动方式I2C通信的引脚，就是使用的开漏模式，在多机通信的情况下，这个模式可以避免各个设备互相干扰。开漏模式还可以用于输出5V的电平信号，在IO口外接一个上拉电阻到5V的电源，当输出高点平时，由外部的上拉电阻拉高至5V

关闭输出模式下，两个管都无效，输出关闭，端口电平由外部信号来控制

3.1.4 GPIO模式

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式

在使用浮空输入时，一定要接上一个连续的驱动源，不能出现悬空的状态

输入模式下，输出驱动是断开的，端口只能输入不能输出。

模拟输入时，输入和施密特触发器都是断开的，直接接入片上外设（ADC），因此，当使用ADC（模数转换器）的时候，将引脚配置为模拟输入就行。

开漏&推挽输出模式，区别在与开漏模式的高电平是高阻态模式，没有驱动能力

注意！！！：配置成输出模式的时候，输入模式依旧是打通的，可以进行输入

复用开漏&推挽输出：信号来源于片上外设，其他和普通的没有区别

3.1.5 LED&蜂鸣器介绍

LED：发光二极管，正向通电点亮，反向通电不点亮；内部较小的一半是正极，较大的一半是负极。

电路：左边正极，右边负极

有源蜂鸣器：自带振荡源，正负极接上直流电压即可持续发生，且频率固定

无源蜂鸣器：需要控制提供脉冲

LED&蜂鸣器电路

左边是LED，上面是低电平驱动（单片机一般使用），上面是高电平驱动，电阻可以调整LED亮度同时防止烧毁。

右边是蜂鸣器，采用了三极管，三极管左边是基级，带箭头的发射级，剩下的集电极，上面PNP三极管，基极给低电平，三极管就会导通，就可以驱动蜂鸣器，下面的NPN三极管逻辑相反，PNP蜂鸣器需要在下面，因为激活三极管需要基极和发射级之间有一定的电压，NPN相同

3.1.6 面包板的使用

上下两条是接电源，如果需要供电，就从上下的孔位中，用条线引出来即可，不是所有面包板上下两排都是连接的，那就需要用跳线连接到一起

点亮LED的链接方式，纵向的孔可以理解为直接相连的

3.2 点亮LED小灯实战

本节会用到RCC和GPIO两个功能

3.2.1 RCC库函数

寻找库函数：

void RCC_AHBPeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHBPeriph, FunctionalState NewState);
void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState);
void RCC_APB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState);

（代码来源于keil中库函数的声明）

RCC常用的三个库函数如上

AHB外设时钟控制函数（第一个）：使能或者失能AHB外设时钟

第一个参数为选择哪一个外设，STM互联型的设备在下面的arg中可以进行选择，其他设备在下面选择。

第二个参数为enable和disable也就是开启或者关闭

APB1和ABP2是一样的参数

如果不清楚哪个外设是连接在连接在哪个总线上，还可以通过列表进行查找。

3.2.2 GPIO库函数

void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef* GPIOx);
void GPIO_AFIODeInit(void);
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);
void GPIO_PinLockConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_EventOutputConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource);
void GPIO_EventOutputCmd(FunctionalState NewState);
void GPIO_PinRemapConfig(uint32_t GPIO_Remap, FunctionalState NewState);
void GPIO_EXTILineConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource);
void GPIO_ETH_MediaInterfaceConfig(uint32_t GPIO_ETH_MediaInterface);

（代码来源于keil中库函数的声明）

GPIO_DeInit：用于复位指定的GPIO，调户函数之后，指定的GPIO会被复位

void GPIO_AFIODeInit：可以复位AFIO外设

void GPIO_Init：用结构体的参数来初始化GPIO口，需要先定义一个结构体变量，然后再给结构体赋值（赋的值是比如IO口是输入还是输出，推挽还是开漏），最后调用这个函数，这个函数内部会自动读取结构体的值，然后自动把外设的各个参数配置好。（这种Init函数在STM31中基本所有的外设都有）

void GPIO_StructInit：把结构体变量赋一个默认值

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx); uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

以上四个是GPIO的读取函数

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal); void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

以上四个是写入函数

通过以上常用函数就可以实现GPIO的读写功能

3.2.3 点亮小灯

1、激活时钟，选择RCC_APB2Periph_GPIOA

原因：AHB是用于激活高速核心外设，例如flash存储器，cortex内核，GPIO是高速外设因此挂在ABP2上，因为LED硬件接在PA0口，因此选择GPIOA

2、初始化GPIO，此时需要定义结构体，但是库函数已经帮我找好了三个参数Mode、Pin和Speed，具体代码见下方完整代码

Mode：单机main函数中的Mode跳转，选中Mode_Define，ctrl+F搜索

最终跳转页面如上图，此处是GPIO的八种工作模式

AIN：模拟输入

IN_：浮空输入

IPD：下拉输入

IPU：上拉输入

Out_OD：开漏输出；AF复用

Out_PP：推挽输出；AF复用

此处点亮小灯使用推挽输出，选择Out_PP这一项

Pin：选择引脚

右键跳转后Pin有多个选项，此处选择member选项，然后同上Mode选择即可

此处选择P0

Speed处选择50MHz即可

此处初始化第二个参数完成，注意第二个参数需要加&（取地址符）

3、使用四个写入函数

void GPIO_SetBits：把指定端口设置为高电平

void GPIO_ResetBits：把指定端口设置为低电平

以上两个函数的参数都是用于寻找端口

void GPIO_WriteBit：根据第三个参数的值来设置指定的端口

void GPIO_Write：第二个参数可以同时对十六个端口进行写入

因为单片机一般使用低电平驱动，因此使用WriteByte函数时，需要设为RESET

此时就已经完成了LED点亮的功能，代码如下

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
​
int main()
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_RESET);
    
    while(1)
    {
        
    }
}

​