什么是GPIO？(详细介绍)-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了什么是GPIO？(详细介绍)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

以STM32F4系列的单片机做例子

一.引入

   单片机最小系统的组成：

       芯片 + 供电电路 + 复位电路 + 时钟（晶振）电路

   一个完成的系统的组成

       最小系统 + 项目所需要的其他硬件（外设）

   芯片：

       整个系统的核心相当于人类的大脑会提供引脚与外部电路相连接
       引脚（俗称官方称呼“GPIO”）

二. GPIO

   GPIO是什么？
   General Purpose Input Output 通用功能输出输出
   GPIO就是从芯片内部引出来一根功能复用的口线（电线）
   功能复用是指：GPIO的引脚可以由CPU配置成不同的功能
   比如：输入功能输出功能模拟功能复用功能等等

   分析GPIO内部结构图如picture/STM32F4XX_GPIO内部结构.PNG
   通过图我们可以得知每个GPIO可以独立地被配置成不同的功能。
   GPIO配置功能如下：
   (1)输入功能

       CPU可以通过该GPIO的来获取外部电路输入的一个电平状态
       输入功能又可以分为几种模式：
       a.带上拉的输入（input pull-up）
           默认接一个上拉电阻
           此时就算IO引脚没有外部输入信号时 CPU也能读到一个高电平
           只有在外部电路输入低电平的时候 CPU读取到的才是低电平

什么是GPIO？(详细介绍)
       b.带下拉的输入
           默认接一个下拉电阻
           此时就算IO引脚没有外部输入信号时 CPU也能读到一个低电平
           只有在外部电路输入高电平的时候 CPU读取到的才是高电平

什么是GPIO？(详细介绍)
       c.输入悬空
           既不接上拉电阻也不接下拉电阻
           这种情况下 IO引脚的电平状态完全由外部输入所绝对此时CPU可以通过读取数据的
           操作来获取外部电路的工作状态

什么是GPIO？(详细介绍)
       d.模拟输入
           该引脚被设置为模拟输入的时候能够获取到模拟信号
           通过ADC转换为数字量

什么是GPIO？(详细介绍)

   (2)输出功能

       CPU可以通过该GPIO口往外部输出一个电平状态（相当于可以控制外部电路工作）
       输出功能也可以分为以下两种模式
       a.输出推挽（PP: push-pull）
           CPU往外写高电平（1）时，此时引脚输出一个高电平
           CPU往外写低电平（0）时，此时引脚输出一个低电平

什么是GPIO？(详细介绍)

       b.输出开漏 (OD: open drain)
           不输出电压
           CPU往外写低电平（0）时此时引脚接VSS(GND)相当于接地
           CPU外外写高电平（1）时此时引脚的电平状态由上下拉电阻决定

什么是GPIO？(详细介绍)

   (3)复用功能

       复用功能是指GPIO口用作其他的外设的功能口线
       比如：
               I2C USART SPI等等

       每个GPIO口都可以被配置成多达16中复用功能
       具体哪个引脚可以被复用成哪种功能需要看原理图


   STM32F4xx共有144个GPIO引脚
   分为九组记为GPIOA , GPIOB ... GPIOI
           简写PA PB ... PI

   每组有16根引脚编号从0~15
   也就是说：
           比如GPIOA这一组就有
           GPIOA0                    PA0
           GPIOA1                    PA1
           GPIOA2                    PA2
           ...
           GPIOA15                PA15


   而这些GPIO的功能都有独立的寄存器组（不同的GPIO硬件控制器）来配置他们
   也就是说我们如果要使用比如GPIO口的输入功能的话我们首先需要把对应寄存器组配置好。
   那么如果我们要去配置（访问）寄存器的话就必须知道寄存器的地址

   每组GPIO的地址分布如下：    参考：第 192 页的第 7.4.11 节：GPIO 寄存器映射


               边界地址            外设           总线：
       0x4002 2000 - 0x4002 23FF    GPIOI
       0x4002 1C00 - 0x4002 1FFF    GPIOH
       0x4002 1800 - 0x4002 1BFF    GPIOG
       0x4002 1400 - 0x4002 17FF    GPIOF
       0x4002 1000 - 0x4002 13FF    GPIOE           AHB1
       0x4002 0C00 - 0x4002 0FFF    GPIOD
       0x4002 0800 - 0x4002 0BFF    GPIOC
       0x4002 0400 - 0x4002 07FF    GPIOB
       0x4002 0000 - 0x4002 03FF    GPIOA


   边界地址：指对应的寄存器组的起始地址（基址）和结束地址
   外设：    该寄存器组对应的硬件控制器
   总线：该硬件控制器所处的系统时钟总线
           请注意：任何一个硬件控制器想要去正常工作都必须开启（使能）时钟
                   而总线就是给硬件控制器提供时钟的

那么有哪些寄存器呢？分别有什么用呢？

三.STM32F4XX GPIO寄存器

   每个通用 I/O 端口包括
   4 个 32 位配置寄存器（GPIOx_MODER、GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR 和 GPIOx_PUPDR）
   2 个 32 位数据寄存器（GPIOx_IDR 和GPIOx_ODR）
   1 个 32 位置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)
   1 个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)
   2 个 32 位复用功能选择寄存器（GPIOx_AFRH 和 GPIOx_AFRL）。

   (1)GPIOx_MODER :功能模式选择寄存器

       偏移地址：0x00 (寄存器地址 = 基址 + 偏移地址)
       比如：GPIOA_MODER的地址 0x40020000 + 0x00 = 0x40020000

       该寄存器用来控制GPIOx(x=A,B,C...I)组的16个引脚的模式（4种：输入、输出，模拟，复用）
       一个寄存器是32bits 一组GPIOx共有16个引脚
       每个GPIO引脚占2bits
       2bits正好可以表示4种状态
       编号为y(y=0,1...15)的GPIO引脚在寄存器中的比特位为GPIOx_MODER[2y+1,2y]
       具体配置如下：
           GPIOx_MODER[2y,2y+1]               模式
               00                               输入模式
               01                               输出模式
               10                               复用模式
               11                               模拟模式


       例子：用c代码将PF9配置称为输出模式

       分析：
           GPIOF组寄存器的起始地址（基址）：0x4002 1400
           GPIOx_MODER的偏移地址是0x00
           so:
               GPIOF_MODER的寄存器地址：0x4002 1400 + 0x00 = 0x4002 1400

           如果要将PF9设置为输出模式就需要将
               GPIOF_MODER[2*9+1:2*9]
               GPIOF_MODER[19:18] ==> 01

           把地址为0x40021400的寄存器中的bit19置为0 bit18置为1 怎么做到这两点呢？
           通过地址我们就可以将寄存器中的bit置位
           在STM32中用unsigned long来表示地址的值

           unsigned long * p = (unsigned long *)0x4002 1400

           但是一般情况下我们会在地址的前面加上volatile 变成如下：

           volatile unsigned long * p = (volatile unsigned long *)0x4002 1400

           volatile的作用是作为指令关键字禁止编译器优化访问的就是实际地址
           而不会被编译器优化成别的地址一般用于多线程的全局变量中断处理函数访问
           的全局变量状态寄存器。

           那么我们就可以通过指针p将地址0x40021400的寄存器中的bit19置为0 bit18置为1
           操作如下：

                   xxxxxxxxxxxx yy xxxxxxxxxxxxxxxxxx

                   <----12---->   <------ 18 ------>

               &   111111111111 01 111111111111111111       <=先把bit19置为0

           ===>   xxxxxxxxxxxx 0y xxxxxxxxxxxxxxxxxx


           1<<19   000000000000 10 000000000000000000

       ~(1<<19)   111111111111 01 111111111111111111


                   *p = *p & ~(1<<19)


           再把bit18置为1

               类似与上面操作为：

                   *p = *p | (1<< 18)

           所以我们分两步完成这个操作：

               *p = *p & ~(1<<19)
               *p = *p | (1<< 18)

           但是实际上面的操作对寄存器进行了两次操作效率太低
           有点耗费硬件资源我们对寄存器的修改必须一步到位

           所以我们会先定义一个中间变量用来记录寄存器的值
           然后再通过中间变量一步到位去修改寄存器的值如下操作

               unsigned long r = 0 ;
               r = *p ; //先用r保存寄存器中的值并按照需求修改r值

               r &= ~(1<<19);
               r |= (1<<18);

               *p = r; //通过中间变量一步到位修改寄存器的值


例子：将PA0配置为输入模式
           用C语言配置一次用汇编配置一次

               C语言：

               volatile unsigned long * p = (volatile unsigned long * )0x40020000
               unsigned long r = 0 ;
               r = *p;

               r &= ~3 ; //把bit1和bit0都设置为0 00表示输入模式

               *p = r;

               汇编：

               LDR R0,=0X40020000
               LDR   ,R1,[R0]        ;R1就相当于r    此指令相当于r = *p
               BIC   R1,R1,#0X03       ; r &= ~3
               STR R1,[R0]


   (2)GPIOx_OTYPER   :Output Type Register 输出类型选择寄存器

       偏移地址：0x04
       该寄存器用来选择GPIOx(x=A,B...I)这组的16个GPIO引脚的输出类型
       寄存器有32bits
       低16个bit用于保存对于编号引脚的输出类型高16bit保留
       一个bit保存一个引脚
       一个bit有两种状态分别对应开漏输出和推挽输出

       每个GPIO引脚占1bit 编号为y(y=0,1,2...15)的引脚在该寄存器中对于的bit为GPIOx_OTYPER[y]
       具体配置如下：

           GPIOx_OTYPER[y]           输出类型
               1                   输出开漏（OD）
               0                   输出推挽（PP）



   (3)GPIOx_OSPEEDR:Output Speed Register 输出速率寄存器

       偏移地址：0x08
       用于控制GPIOx组的16个GPIO引脚的输出速率
       每个引脚占2bit
       编号为y的引脚在该寄存器中的bit位是GPIOx_OSPEEDR[2y+1:2y]
       具体配置如下：

           GPIOx_OSPEEDR               速率

               00                       2MHZ
               01                       25MHZ
               10                       50MHZ
               11                       30pf则为100MHZ
                                       15pf则为80MHZ



   (4)GPIOx_PUPDR:Pull Up Pull Down Register 端口上拉/下拉寄存器

       偏移地址：0x0c
       该寄存器用来控制GPIOx组的16个引脚的上拉/下拉选择
       每个GPIO引脚占2bits
       编号为y的GPIO引脚在该寄存器中所在的bit为GPIOx_PUPDR[2y+1:2y]
       具体配置如下：

           GPIOx_PUPDR               上下拉选择
               00                   无上拉、无下拉
               01                   上拉
               10                   下拉
               11                   保留


   (5)GPIOx_IDR: Input Data Register 输入数据寄存器

       偏移地址：0x10
       该寄存器用来表示GPIOx这组的16个GPIO引脚的输入的电平状态值
       每个GPIO引脚占1bits 该寄存器中高16bit保留没有使用
       低16bit表示x组的16个引脚的电平状态
       比如：GPIOx_IDR[0] ==>表示的就是该组的第0个引脚GPIOx0的输入电平状态
       具体配置如下：

           GPIOx_IDR[y]           编号为y的引脚的输入电平状态
               1                       高电平
               0                       低电平

       比如：
           CPU想要知道GPIOA0这个引脚输入的是高电平还是低电平？
           思路：
                   if(GPIOA_IDR & 0X01 == 0X01)
                   {
                       PA0为高电平
                   }
                   else
                   {
                       PA0为低电平
                   }

           ===>

               volatile unsigned long * p =(volatile unsigned long *)(0x40020000+0x10)
               if(*p & 0x01)
               {
                   PA0为高电平
               }

   (6)GPIOx_ODR:Output Data Register 端口输出数据寄存器

       偏移地址： 0x14
       该寄存器保存了该组16个GPIO引脚的输出电平状态
       高16bit保留的低16个bit就是对于编号的引脚的输出电平状态
       具体配置如下：

           GPIOx_ODR[y]           编号为y的引脚的输出电平状态
               1                       高电平
               0                       低电平





   (7)GPIOx_BSRR:Bit Set Reset Register 端口置位/复位寄存器

       偏移地址：0x18
       置位：set 把bit位置为1
       复位：reset 把bit位置为0
       该寄存器用来表示GPIOx组的16个GPIO引脚的输出状态
       其中：
           高16bits为端口复位寄存器
           低16bits为端口置位寄存器

       这个寄存器有点特殊写1有效写0无效
       将GPIOx_BSRR[31:16]置为1 表示将GPIOx15~GPIOx0设置为0
       将GPIOx_BSRR[15:0]置为1 表示将GPIOx15~GPIOx0设置为1
       实现效果跟GPIOx_ODR一样用来设置GPIO引脚的输出状态


   (8)GPIOx_LCKR   :锁定寄存器

   (9)GPIOx_AFRL:复用功能低位寄存器    偏移地址：0x20
   (10)GPIOx_AFRH:复用功能高位寄存器   偏移地址：0x24

       GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH这两个寄存器是放在一起使用的

       AFR:Alternate Function Register 复用功能选择寄存器

       因为一个GPIO引脚最多有16个复用功能那么1个GPIO引脚需要4个bit
       所以16个引脚就需要16*4 = 64bits 也就是2个寄存器的空间

       GPIO引脚编号为0-7由GPIOx_AFRL进行配置
                   8-15由GPIOx_AFRH进行配置


       具体的值表示哪个复用功能或者引脚有哪些复用功能
       需要结合电路原理图和功能手册来看

       什么是GPIO？(详细介绍)

四. STM32F4XX GPIO时钟使能

   根据上述的寄存器就可以去实现所有基于GPIO能够完成的功能配置了
   比如：
       点亮led灯
       获取key按键的状态（按下/松开）
       控制蜂鸣器等等

   但是我们在之前就提到过任何一个硬件控制器想要工作都必须去实现时钟使能
   （GPIO所有分组全部属于AHB1时钟总线）
   那么时钟的相关配置请参考RCC部分（数据手册的第六章）
   RCC: Reset Clock Control 复位时钟控制基址：0x40023800
   那么现在我们的目的是使能GPIO分组时钟：
       RCC AHB1外设时钟使能寄存器（RCC_AHB1ENR）
       偏移地址：0x30
       该寄存器的第0位到第8位分别控制GPIOA到GPIOI组时钟的使能：
           1       使能对于GPIO分组的时钟
           0       禁止对应GPIO分组的时钟

   比如：使能GPIOF组时钟
       ==》RCC_AHB1ENR[5] -> 1

       C语言实现：

       volatile unsigned long * p = (volatile unsigned long *)(0x40023800 + 0x30);
       unsigned long r = 0;
       r = *p;
       r |= 1<<5;
       *p = r;


   GPIOF组的时钟使能后就可以去配置GPIOF组的GPIO引脚了
   配置后这些GPIO引脚可以与连接硬件电路正常工作了


   总结：
       利用寄存器来实现GPIO功能配置的步骤

       1)配置GPIO分组时钟（RCC_AHB1ENR）
       2)配置GPIO功能模式（GPIOx_MODER）
       3)配置输出类型（输出功能）
       4)配置输出速率
       5)配置上拉/下拉
       6)如果是输入模式则通过GPIOx_IDR可以获取外部电路工作状态
       如果是输出模式则通过GPIOx_ODR或这GPIOx_BSRR来向外部输出一个电平信息
       如果是复用模式则后面再讲