STM32-GPIO介绍

发布时间：2023-02-01 20:00

1.概述

2.GPIO工作原理

2.1 保护二极管及上下拉电阻

2.2 GPIO工作模式

2.2.1 浮空输入模式

2.2.2 上拉输入模式

2.2.3 下拉输入模式

2.2.4 模拟输入模式

2.2.5 开漏输出模式

2.2.6 开漏复用输出模式

2.2.7 推挽输出模式

2.2.8 推挽复用输出模式

2.3 注意事项

2.4 GPIO端口复用

2.5 GPIO端口重映射

3.GPIO相关寄存器

3.1 端口配置低寄存器（GPIOx_CRL ）

3.2 端口配置高寄存器（GPIOx_CRH ）

3.3 端口输入数据寄存器（GPIO_IDR）

3.4 端口输出数据寄存器（GPIO_ODR）

3.5 端口位设置/清除寄存器（GPIO_BSRR)

3.6 端口位清除寄存器（GPIO_BRR)

4.GPIO库函数配置

4.1 重要函数

4.2 初始化函数

4.3 两个读取输入电平函数：

4.3 四个设置输出电平函数：

4.4 库函数配置程序示例

5. GPIO寄存器配置

5.1 寄存器配置程序示例

1.概述

GPIO是STM32最基本的外设之一，下面我们从三个角度来介绍STM32的GPIO，分别是：①GPIO原理、②相关寄存器、③库函数编程

2.GPIO工作原理

GPIO是通用输入输出端口（General-purpose input/output）的英文简写，是所有的微控制器必不可少的外设之一，可以由STM32直接驱动从而实现与外部设备通信、控制以及采集和捕获的功能。STM32单片机的GPIO被分为很多组，每组有16个引脚，不同型号的MCU的GPIO个数是不同的，比如STM32F103C8T6只有PA、PB以及个别PC引脚而STM32F103ZET6拥有PA~PG的全部112个引脚。所有的GPIO都有基本的输入输出功能，同时GPIO还可以作为其它的外设功能引脚。

作为STM32最基本的外设，GPIO最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高低电平，比如可以把GPIO接LED灯来控制其亮灭，也可以接继电器或者三极管，通过继电器或三极管来控制外部大功率电路的通断。

GPIO最基本的输入功能是检测外部电平变化，比如把GPIO引脚连接到按键电路，通过电平的高低变化来识别按键是否被按下。

这是GPIO的硬件结构框图，可以从这个框图中清晰的了解GPIO外设极其各种应用模式，最右端的I/O引脚就是STM32芯片引出的GPIO引脚，其它的部件都位于芯片内部。

2.1 保护二极管及上下拉电阻

为了防止芯片被外部过高或者过低的输入电压烧坏，STM32内置保护二极管，当引脚输入电压高于VDD-FT（FT标识代表可以容忍5V电压，不同的引脚对电压的容忍值不同，需要在芯片数据手册上查找，见下图）时上方的二极管导通，当引脚电压低于Vss时，下方的二极管导通，这样就可以防止不正常的电压引入芯片导致芯片烧毁。

2.2 GPIO工作模式

STM32的GPIO共有8种工作模式，分别是输入模式的模拟输入、上拉输入、下拉输入和浮空输入以及输出模式的推挽输出、开漏输出、推挽复用输出和开漏复用输出

为了便于理解，使用结构框图来详细讲解每一种模式：

2.2.1 浮空输入模式

GPIO工作模式——浮空输入

GPIO作为输入功能的浮空输入时，电信号使由外部流向内部的，从结构图的右侧往左侧看，信号流经顺序是①端口——②施密特触发器——③输入数据寄存器——④读取

2.2.2 上拉输入模式

GPIO工作模式——上拉输入

上拉输入和浮空输入的区别就是在第①和第②之间多了一个上拉电阻，这样GPIO在没有连接外部部件时的默认电平是高电平，其它流程和原来一样。

2.2.3 下拉输入模式

GPIO工作模式——下拉输入

下拉输入和浮空输入的区别就是在第①和第②之间多了一个下拉电阻，这样GPIO在没有连接外部部件时的默认电平是低电平，其它流程和原来一样。

2.2.4 模拟输入模式

GPIO工作模式——模拟输入

模拟输入模式和其它三种输入模式不同，它的外部电平信号没有流入输入数据寄存器，而是直接流入模拟输入部分。模拟输入一般是用来ADC读取和转换的。

2.2.5 开漏输出模式

GPIO工作模式——开漏输出

GPIO 的输出模式比输入模式复杂，首先看开漏输出模式，电平信号由STM32内部流出引脚，因此流向是①写（包括位设置/清除寄存器、输出数据寄存器）——②输出控制电路——③N-MOS管——④I/O端口

位设置/清除寄存器写入的值会映射到输出数据寄存器，最终到达输出控制电路，如果写入的是1，则N-MOS管关闭，由于N-MOS管截止，所以最后输出的电平不会由写入的1来决定，因此此时的输出为高阻态（类似浮空状态），真正的输出电压由外部的上下拉电阻来决定。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平0伏。若写入0，则N-MOS管处于开启状态，输出电流被拉到VSS，因此可以输出强低电平。输出的电平信号可以被输入数据寄存器读取。

2.2.6 开漏复用输出模式

GPIO模式——开漏复用输出

开漏复用输出和开漏输出的区别在于信号来源，复用的来源不是内部直接通过输出数据寄存器写的，而是由复用功能的外设决定的。

2.2.7 推挽输出模式

GPIO工作模式——推挽输出

推挽输出模式和开漏输出模式有一定的区别，其控制输出的寄存器是一样的，但是②部分的写1有效，即输出控制电路输出1的时候，P-MOS管导通，N-MOS管截止，这样I/O口电平就会被P-MOS管拉高，输出强高电平；相反，当输出控制电路输出0时，P-MOS管截止，N-MOS管导通，I/O端口电平被N-MOS管拉低，输出强低电平。同样，输出的电平信号可以被输入数据寄存器读取。

2.2.8 推挽复用输出模式

GPIO工作模式——推挽复用输出

推挽复用输出和推挽输出的区别在于信号来源，其信号来源是由复用功能相关的通信通道来控制。

2.3 注意事项

注意：

推挽输出可以输出强高低电平（高电平为3.3V），一般用来连接数字器件。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。

开漏输出只可输出强低电平，高电平需要靠外部电阻拉高。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。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般20ma以内）。开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏电平。

2.4 GPIO端口复用

为了最大限度的利用端口资源，STM32的大部分端口都具有复用功能。

所谓复用，就是一些端口不仅仅可以做为通用IO口，还可以复用为一些外设引脚，比如PA9,PA10可以复用为STM32的串口1引脚。复用情况可以查找数据手册，如下表所示：

从表格种可以看出，PA9和PA10引脚不仅可以作为GPIO还可以作为串口1的收发引脚使用。

2.5 GPIO端口重映射

为了方便布线，STM32配有端口重映射功能，所谓重映射就是可以把某些功能引脚映射到其他引脚。比如串口1默认引脚是PA9,PA10可以通过配置重映射映射到PB6,PB7。

端口的映射情况也可以通过查找数据手册来获得，如下表所示：

3.GPIO相关寄存器

STM32的每组GPIO都包含7个寄存器，分别是：

- GPIOx_CRL :端口配置低寄存器

- GPIOx_CRH:端口配置高寄存器

- GPIOx_IDR:端口输入寄存器

- GPIOx_ODR:端口输出寄存器

- GPIOx_BSRR:端口位设置/清除寄存器

- GPIOx_BRR :端口位清除寄存器

- GPIOx_LCKR:端口配置锁存寄存器

每个I/O端口位可以自由编程，然而I/O端口寄存器必须按32位字被访问(不允许半字或字节访问) 。

3.1 端口配置低寄存器（GPIOx_CRL ）

3.2 端口配置高寄存器（GPIOx_CRH ）

3.3 端口输入数据寄存器（GPIO_IDR）

3.4 端口输出数据寄存器（GPIO_ODR）

3.5 端口位设置/清除寄存器（GPIO_BSRR)

3.6 端口位清除寄存器（GPIO_BRR)

4.GPIO库函数配置

4.1 重要函数

初始化函数：

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

2个读取输入电平函数：

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

2个读取输出电平函数：

uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

4个设置输出电平函数：

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);

4.2 初始化函数

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);

作用：初始化一个或者多个IO口（同一组）的工作方式和速度。

该函数主要是操作GPIO_CRL(CRH)寄存器，在上拉或者下拉的

时候有设置BSRR或者BRR寄存器

GPIOx: GPIOA~GPIOG

GPIO_InitTypeDef结构体：

typedef struct    {

uint16_t GPIO_Pin;                           //指定要初始化的IO口

GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; //设置IO口输出速度

GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;    //设置工作模式：8种中的一个

}

注意：外设（包括GPIO)在使用之前，几乎都要先使能对应的时钟。

RCC_APB2PeriphColckCmd();

GPIO输出速度：

typedef enum {

GPIO_Speed_10MHz,

GPIO_Speed_2MHz,

GPIO_Speed_50MHz

}

GPIOSpeed_TypeDef;

GPIO模式：

typedef enum

{ GPIO_Mode_AIN = 0x0, //模拟输入

GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04, //浮空输入

GPIO_Mode_IPD = 0x28, //输入下拉

GPIO_Mode_IPU = 0x48, //输入上拉

GPIO_Mode_Out_OD = 0x14, //开漏输出

GPIO_Mode_Out_PP = 0x10, //推挽输出

GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C, //开漏复用输出

GPIO_Mode_AF_PP = 0x18 //推挽复用输出

}GPIOMode_TypeDef;

GPIO_Init函数初始化样例：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //LED0-->PB.5 端口配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO口速度为50MHz GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //根据设定参数初始化GPIOB.5

可以一次初始化一个IO组下的多个IO，前提是这些IO口的配置方式一样。

4.3 两个读取输入电平函数：

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);//读取GPIOA.5的输入电平

作用：读取某组GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。

4.3 四个设置输出电平函数：

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

作用：设置某个IO口输出为高电平（1）。实际操作BSRR寄存器

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

作用：设置某个IO口输出为低电平（0）。实际操作的BRR寄存器。

void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

这两个函数不常用，也是用来设置IO口输出电平。

4.4 库函数配置程序示例

下面我们以流水灯案件为例，把整个GPIO的库函数配置过程展现出来：

//led.h头文件
#ifndef __LED_H
#define __LED_H
#include "sys.h"

void LED_Init(void);

#endif

//led.c源文件
#include "led.h"
#include "stm32f10x.h"
void LED_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);//使能GPIOB和E
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);

	GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_5);	
}

//main.c主程序
#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"

int main(void)
{
delay_init();
LED_Init();
	
while(1){
     GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5); //LED0即DS0亮
     GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_5);   //LED1即DS1灭
	  delay_ms(500);
	
  	  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);   //LED0即DS0灭
	  GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_5); //LED1即DS1亮
	  delay_ms(500);
}
}

5. GPIO寄存器配置

库函数的优点在于移植性好、便于理解、方便学习，是我们一般编程常常使用的。但是如果只会用库函数编程，寄存器内部工作原理不闻不问，当你拿到一份带有寄存器配置片段的程序时就会一头雾水。因此，理解寄存器的配置对于更深一步的学习掌握STM32这个MCU以及在真正的工程总运用也是尤为重要的。

5.1 寄存器配置程序示例

下面是流水灯例程的寄存器版本程序，其中led.h和库函数一样的，这里就不展示了。

//led.c源文件
#include "led.h"
#include "stm32f10x.h"

void LED_Init(void){
	
	RCC->APB2ENR|=1<<3;
	RCC->APB2ENR|=1<<6;
 
	//GPIOB.5
	GPIOB->CRL&=0xFF0FFFFF;//与运算，使GPIOB的CRL寄存器第20~23位(PB5)清零
	GPIOB->CRL|=0x00300000;//或运算，使GPIOB的CRL寄存器第20~23位置位0011，即设置为推挽输出、速率为50MHz
	GPIOB->ODR|=1<<5;//或运算，使GPIOB的输出数据寄存器ODR第5位置1即PB5输出高电平
	
	GPIOE->CRL&=0xFF0FFFFF;//与运算，使GPIOE的CRL寄存器第20~23位(PE5)清零
	GPIOE->CRL|=0x00300000;//或运算，使GPIOE的CRL寄存器第20~23位置位0011，即设置为推挽输出、速率为50MHz
	GPIOE->ODR|=1<<5;//或运算，使GPIOE的输出数据寄存器ODR第5位置1即PE5输出高电平
	//GPIOE.5
}

//main.c主程序
#include "sys.h"
#include "usart.h"		
#include "delay.h"	 
#include "led.h"

int main(void)
{				 
	
	while(1){
		GPIOB->ODR|=1<<5;//或运算，使GPIOB的输出数据寄存器ODR第5位置1即PB5输出高电平
		GPIOE->ODR|=1<<5;//或运算，使GPIOE的输出数据寄存器ODR第5位置1即PE5输出高电平
		delay_ms(500);
		
		GPIOB->ODR&=~(1<<5);//与运算，使GPIOB的输出数据寄存器ODR第5位置0即PB5输出低电平
		GPIOE->ODR&=~(1<<5);//与运算，使GPIOE的输出数据寄存器ODR第5位置0即PE5输出低电平
		delay_ms(500);
	}
}

STM32-GPIO介绍

1.概述

2.GPIO工作原理

2.1 保护二极管及上下拉电阻

2.2 GPIO工作模式

2.2.1 浮空输入模式

2.2.2 上拉输入模式

2.2.3 下拉输入模式

2.2.4 模拟输入模式

2.2.5 开漏输出模式

2.2.6 开漏复用输出模式

2.2.7 推挽输出模式

2.2.8 推挽复用输出模式

2.3 注意事项

2.4 GPIO端口复用

2.5 GPIO端口重映射

3.GPIO相关寄存器

3.1 端口配置低寄存器（GPIOx_CRL ）

3.2 端口配置高寄存器（GPIOx_CRH ）

3.3 端口输入数据寄存器（GPIO_IDR）

3.4 端口输出数据寄存器（GPIO_ODR）

3.5 端口位设置/清除寄存器（GPIO_BSRR)

3.6 端口位清除寄存器（GPIO_BRR)

4.GPIO库函数配置

4.1 重要函数

4.2 初始化函数

4.3 两个读取输入电平函数：

4.3 四个设置输出电平函数：

4.4 库函数配置程序示例

5. GPIO寄存器配置

5.1 寄存器配置程序示例

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