STM32学习笔记（二）——STM32的GPIO和AFIO
一、STM32芯片引脚分布
1.1 特殊功能引脚和普通功能引脚
STM32F103C8T6共有48个引脚
- 特殊功能引脚（11个）
- Vdd+Vss给芯片供电引脚 共三队，六个
- VDDA+VSSA模拟电压 两个（A~Analog模拟的）
- BOOT0启动方式选择引脚 一个
- VBAT备用电池引脚（Battery）一个
- NRST复位引脚 一个
- 普通IO口引脚（37个）
其中特殊功能引脚是为了维持芯片的运行，所以被特殊化了
普通IO引脚是我们可以去应用的
1.2 STM32芯片IO引脚复用
IO复用：IO引脚身兼数职的现象叫IO复用
- 如：下图的PA9和PA10
- 不仅可以做普通IO口,
- 还能做串口通信的发送端口和接收端口，
- 还能做定时器的通道引脚
- 作为芯片设计人员，希望STM32芯片的功能越强大越好
- 所以设计人员向STM32芯片内加了各种外设模块，来执行各种功能，比如ADC模块，用来做模数转换；I2C模用来通信等，详见下图
- 每一个模块都能执行特定的功能，每一个模块也会占用不同的引脚资源，芯片的引脚资源明显不够，所以必须让同一个引脚去身兼数职
1.3 引脚的通用功能和复用功能辨析
通用功能（普通IO）：我们通过编程让CPU直接通过GPIO模块对对应的IO引脚进行直接的控制
复用功能：我们通过编程让CPU控制串口模块，串口模块自动的去控制GPIO模块，跟外接进行通信
总结：
通用功能：我们直接对IO引脚进行控制
复用功能：通过控制其他外设，间接对IO口进行控制，复用功能可有多个
1.4 IO引脚的重映射
IO重映射就说，将某个片上外设的复用功能，移动到其它的IO引脚上
- 若我们想用PA9和PA10的串口功能，又想用PA9和PA10的定时器功能，就会产生冲突，这时我们可以将串口功能重映射到其它引脚上，避免了冲突
1.5 最小系统板引脚图
B站UP铁头山羊老师整理的，清晰的很
- 如，PA9和PA10，可以当作通用IO，也可以复用定时器和串口
- 当既想用PA9、PA10的串口和定时器时，查重映射部分，看到串口可重映射到PB6和PB7
1.6 C8T6引脚功能总结
二、STM32的GPIO
2.1 GPIO简介
- STM32的CPU通过控制片上外设来执行相应的功能
- 其中有一种外设叫GPIO，GPIO根据CPU的指令去控制对应的引脚，进行读写操作
2.2 GPIO的寄存器组
寄存器组概念
- CPU控制GPIO这个片上外设模块，执行引脚的读写操作
- 可CPU怎么控制GPIO这个片上外设呢，他们之间怎么通信呢？
- CPU通过寄存器组去控制GPIO外设
寄存器组的组成
- 一个寄存器组由若干个寄存器组成
- 一个GPIO外设，可以控制16个IO口
- GPIO寄存器组由以下组成
- 配置寄存器
- 输入数据寄存器
- 输出数据寄存器
2.3 GPIO的8种工作模式
- GPIO的工作模式有以下8种
- 中文之华美，我们将名称拆开理解
- 输入输出
- 输入：单片机IO口读取到连接的设备的电平
- 输出：单片机IO口向连接的设备发送电平
- 通用复用
- 通用：CPU直接控制GPIO
- 复用：CPU控制片上外设，片上外设控制GPIO，间接控制
- 只有输出才有通用、复用功能区分
- 输入只是读取外部电平，无论是CPU读取，还是片上外设读取都一样，都是那个电平信号
- 推挽开漏
- IO引脚内部由2个MOS管组成
- 推挽模式：通过电压控制MOS交替导通，输出高、低电压
- 开漏模式： 可以输出低电平，和高阻抗
- 上拉下拉（针对输入模式）
- 如果IO引脚工作在输入模式，IO引脚内阻会无穷大，输入是测电压的，可以想象成万用表，万用表测量电阻两端电压时，是并联的，万用表的内存是无穷大的
- 当输入高低电压时一切正常，但若悬空时，这时IO引脚会类似于天线，接收外界电磁波，产生干扰
- 解决办法，就说加 上拉电阻或下拉电阻
- 当接上拉电阻时：引脚悬空时，引脚会被拉高到高电平；引脚正常输入高低电平时，一切正常
- 当接下拉电阻时：引脚悬空时，引脚会被拉到低电平； 引脚正常输入高低电平时，一切正常
2.4 IO口的最大输出速度
最大输出速度：IO允许输出电平的最大切换频率
- 受控于上升时间和下降时间，若频率太快，保持时间就会很小，输出不了有效的电平
STM32C8T6的最大输出速度分为三挡
- 2MHZ：每秒钟切换200万次
- 10MHZ：每秒钟切换1000万次
- 50MHZ：每秒钟切换5000万次
选择原则：选择满足要求的最小值，以此降低功耗
-
2.5 GPIO内部结构
B站铁头山羊：2.2节 10：42
三、是的终于到了-----点灯
单纯点灯方法应用程序: 点我点我点我
3.1 学会看原理图
PC13是我们要控制的引脚，当PC13为低电平时，LED导通，点亮；当PC13为高电平时，LED不导通，不亮。
我们要去看想要控制的器件的原理图，了解是什么电平，什么方式驱动这个想要控制的器件的
3.2 新建工程
- “工程是包含了我们所有编写的代码的东西”
- 我们用到的代码，包括，从网上找到的函数库＋自己编写的功能代码
- 从标准库建立一个工程挺复杂的（想学习的可以去看正点原子的前几节课），避免重复造轮子，我们引入工程模板的概念，将常用的库函数功能，集成到一个模板里，而后只需要调用我们所需的库函数，专注于编写我们自己的功能代码即可
- 网上已经有很多大神，帮我们建立了工程模板，如正点原子的，洋桃电子的，海创电子的，铁头山羊的，因为最近在和铁老师学习，我们接下来用铁老师的模板。
3.3 工程模板结构
- User：用户自己编写的代码
- Startup:单片机上电后，会先执行启动文件里的程序，而后执行主函数里的程序
- PAL库：对标准库的补充
- 标注库：ST提供的官方库函数
3.4 GPIO的标准库编程接口
标准库的编程接口，是和寄存器一一对应的
3.4 开始编程
3.4.1 IO引脚初始化
初始化：使用IO引脚前做一些参数配置的工作
IO引脚初始化步骤:
- 使能GPIO端口时钟
- 选择模式和其它参数（如：推挽输出？最大传输速度？）
一、啥是使能GPIO端口时钟 ？？？？？？
为啥要使能时钟啊 ？？？
- CPU控制的片上外设，都为时序电路，时序电路需要时钟
- 默认状态，片上外设的时钟，都是关闭的，为了省电
- 所以用到哪个片上外设，就要开启它对应的时钟
不是，那咋使能时钟啊 ？？？
- 我们需要向RCC外设的寄存器里写值（忽略）
- 我们只需要调用对应的函数即可
二、GPIO_Init咋用啊？？？？？？
GPIO_Init简介：
- 用于初始化单个IO引脚
- 使用时填入两个参数
- 参数1：选择想要初始化引脚的端口号，如出书画PC13，参数填GPIOC
- 参数2：初始化各种参数，为结构体类型的指针。库函数帮我们声明好了结构体类型，这个结构体类型名称叫GPIO_InitTypeDef，也就是它给了一张表格，表格叫GPIO_InitTypeDef，你需要将你用的参数，填写到表格中。
结构体知识补充：
- 声明结构体类型，再定义结构体变量
- 类比：结构体类型=int类型
- 类比：定义结构体类变量=定义整形变量。
- 类比：GPIO_InitTypeDef a = int a
具体操作步骤
将库函数给你表格，写上你自己的名字，也就是定义结构体类型变量GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct（名称自定义）;
填写结构体变量的参数：
- 端口C一共有16个引脚，用的哪一个引脚？
- GPIO的模式是啥？推挽输出，输入上拉？
- 若是输出，输出的最大速度是啥？
调用GPIO_Init()函数，填入两个参数
3.4.2 ODR的写入和读取
ODR（Output Data Register）输出数据寄存器
- 此寄存器可以写入也可以读取
- 写入：控制MOS管通断
- 读取：读出上次写入ODR的值
3.4.3 IDR的读取
IDR（Intput Data Register）输入数据寄存器
3.4.4 IO的翻转
IO翻转：先让灯亮，延时一会，再让灯灭，在延时一会，以此循环
编程实现：
- 实现延时功能：库函数中没有这个功能，引入PAL库
- 引入头文件#include “stm32f10x_pal.h”
- 对PAL 库初始化 PAL_Init()
- 使用PAL库中的延时函数 PAL_Delay() 单位ms
方案1的实现：
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"
int main(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
PAL_Init();
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);//使能GPIO外设时钟
GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;//输出开漏
GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOC,&GPIOInitStruct);//初始化GPIO外设C组
while(1)
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,0);//给PC13引脚写0，点亮灯
PAL_Delay(100);//延时100ms
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,1);//给PC13引脚写0，熄灭灯
PAL_Delay(100);//延时100ms
}
}
方案2的实现：
方案2中的翻转是如何做到的呢？
- ODR寄存器的可以读取上次写入的值
- 我们只需要读取上次写的是0还是1，若是1 这次写0；若是0，这次写1，就可以实现翻转的功能
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"
int main(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
PAL_Init();
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);//使能GPIO外设时钟
GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;//输出开漏
GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOC,&GPIOInitStruct);//初始化GPIO外设C组
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,0);//给PC13引脚写0，点亮灯
while(1)
{
PAL_Delay(100);//延时100ms
//翻转代码
if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_13) == 0)
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,1);
}
else
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,0);
}
}
}
四、按键编程
单纯按键应用程序: 点我点我点我
4.1 按键的电路设计
外接上拉电阻：
- 按键打开，IO口读取到的是高电平
- 按键闭合，IO口读取到的是低电平
内部上拉电阻
- 由于单片机内部本来就有两个电阻
- 可设置输入模式，来启用内部的上拉电阻，这样按键电路，节省了一个电阻
按键电路：连接时，连接1-3端 或者2-4端
4.2 按键编程的原理
当按键按下时，IO口读取到的是低电平 当按键松开时，IO口读取到的值是高电平，我们可以不断的读取IO引脚的值，来检测按键的状态
但我们习惯于捕捉，按键按下或者松开那一瞬间的值，因为只有在按键状态变化的瞬间才去切换LED的亮灭
- 如：电脑的鼠标左键，当我们按下按键时，鼠标不会有反映，只有当我们松开按键的瞬间，鼠标才完成了点击这个动作，所以我们捕捉的是按键发生变化的瞬间。
- 方法：我们声明两个变量
- previous 上次
- current 当前
- 若上次读到IDR寄存器里值是1，当前IDR寄存器是0，表示按键按下的瞬间
*若读到从0到1，是松开按键的瞬间
1.先定义两个变量，存储上一次读取到的值，和这一次读取到的值
2.然后将当前值，赋给上一次值
3.在读取当前值
4.若当前值和上一次值不想等，则代表，按键状态发生了变化
5.那是按下的变化，还是松开的变化呢
6.只需要判断当前值，当前值是0，则是按下的瞬间
7.当前值是1，则是松开的瞬间
4.3 按键控制灯的亮灭代码实现
1.PC13连接的是灯 要把PC13初始化为输出开漏模式
2.PA0连接的按键 初始化为输入上拉模式
3.读取PA0的电平，看其是否是按键按下后又松开那个瞬间，若是
4.编写灯翻转程序
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"
int main(void)
{
uint8_t current = 1;
uint8_t previous = 1;
GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);//开启GPIOC时钟
PAL_Init();
GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOC,&GPIOInitStruct);//初始化GPIOC
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//开启GPIOA时钟
GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//代码一行一行执行，所以直接给结构体变量直接赋值就行
GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIOInitStruct);//初始化GPIOA
while(1)
{
previous = current ;
current = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_0);
if(current != previous)
{
if(current == 0)//按键按下
{
}
else
{
//切换灯的亮灭状态
if( GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_13) == 0 )
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,1);
}
else
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,0);
}
}
}
}
}
4.4 按键消抖
４.4.１ 按键抖动产生原因
- 按键按下时，弹簧片与另一个引脚连通，不按下时不连通，
- 因为其物理结构，会产生抖动
- IO引脚会捕获这种抖动，从而对实验产生干扰
４.4.2 按键消抖方法
硬件电路时固定的，我们考虑用软件消抖方法。
由于抖动的时间不会超过10ms，所以我们可以等待10ms，直到按键电平稳定的时候，再去判断其电平状态
代码实现如下
- 采集当前值和上一次值，如果当前值不等于上次的值
- 那么，等待10ms
- 再次采集当前值，如果当前值，还是不等于上次值
- 那么执行对应的程序
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"
int main(void)
{
uint8_t current = 1;
uint8_t previous = 1;
GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);//开启GPIOC时钟
PAL_Init();
GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOC,&GPIOInitStruct);//初始化GPIOC
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//开启GPIOA时钟
GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//代码一行一行执行，所以直接给结构体变量直接赋值就行
GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIOInitStruct);//初始化GPIOA
while(1)
{
previous = current ;
current = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_0);//第一次读取
if(current != previous)//第一次检测 不相等
{
PAL_Delay(10);//延时10ms
current = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_0);//再次读取
if(current != previous)//再次检测
{
if(current == 0)//按键按下
{
}
else
{
//切换灯的亮灭状态
if( GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_13) == 0 )
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,1);
}
else
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,0);
}
}
}
}
}
}
４.4.3 大佬的肩膀-PAL库按键消抖
大佬的库中，关于按键的函数有两条
使用方法：
使用方法详细介绍：
- 引用头文件：#include “stm32f10x_pal_button.h”
- 声明句柄：PalButton_HandleTypeDef hbutton1;//button1的句柄变量，（最好写主函数外面）
- 填写按键初始化参数
- 哪个引脚组
- 哪个引脚
- 外部上拉电阻 还是内部上拉电阻
- 编写按键按下执行的功能函数，并将函数名，填写到句柄回调函数参数中
- 调用初始化函数PAL_Button_Init( )
- 在While中写执行函数PAL_Button_Proc( )
标准库和PAL库对比
代码：
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"
#include "stm32f10x_pal_button.h"
PalButton_HandleTypeDef hbutton1;//button1的句柄变量
static void OnButtonlRealeased(void)
{
//对PC13亮灭切换
if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_13) == 0)
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,1);
}
else
{
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,0);
}
}
int main(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIOinitStruct;
PAL_Init();
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
GPIOinitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIOinitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIOinitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOC,&GPIOinitStruct);
//设置按键PA0 内部上拉
hbutton1.Init.GPIOx = GPIOA;
hbutton1.Init.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
hbutton1.Init.Button_Mode = Button_Mode_IPU;
hbutton1.Init.ButtonReleasedCallback = OnButtonlRealeased;
PAL_Button_Init(&hbutton1);
while(1)
{
PAL_Button_Proc(&hbutton1);
}
}
4.4.3 补充 句柄
句柄：
- 编程=数据结构+算法
- 如：描述人要有年龄，身高，性别（数据结构）+行为，走，跑，跳（算法）
- 句柄就说一种数据结构，用来存储，表示这个实体的所有数据
- 而函数，算法，是对句柄里的数据执行的某种操作
例子： 现在创建一个句柄，也就是描述一个茶壶的信息，
有总容积，当前水量
然后对这个茶壶进行三种操作
- 创建一个10L的空茶壶：其实就是对茶壶这个数据结构进行操作
- 向茶壶中注入水：其实就是对茶壶这个数据结构进行操作
- 将茶壶中水倒出：其实就是对茶壶这个数据结构进行操作
4.4.3 补充 回调函数（HAL库编程也会用到）
什么是回调函数：
将我们定义的函数名称告诉给PAL库，这样PAL库将在适当的时机调用这个函数(自动调用，我搞不懂怎么调用的)
但是用法是，将想要在按键松开时执行的程序，自己封装成一个自定义函数，然后把函数名传递给句柄中的一个参数
例：我们将切换PC13亮灭状态的代码，封装成一个函数 void OnButtonlPressed()
我们希望按键松开时执行这个函数，这样我们把我们定义的函数名，给到PAL库，也就是给到这个句柄中的一个参数
五、AFIO
5.1 AFIO简介
- IO引脚可以进行复用，
- IO复用，就说同一个IO引脚身兼数职，有多个功能
- IO引脚直接被CPU控制–通用
- IO引脚被片上外设进行控制–复用，同一个IO引脚复用功能有多个
- 如下图，若我们想同时使用，片上外设1和片上外设2，那么引脚就冲突了，这是我们需要复用功能重映射来解决这个问题，也就是左图黄色的小框框，
- 这个小框框，将某一个开关的引脚，重映射到别的位置，这个方式就说复用功能的重映射
- AFIO也是一个片上外设
5.2 IO复用功能重映射表
官方编程手册8.3小节
B站UP铁头山羊：2.5节 14：00
B站UP铁头山羊: 2.5AFIO
5.3 AFIO编程
标准库接口位置：和GPIO外设在一起
有四个编程接口：
使用方法：
调用上图函数，第一参数填写要重映射外设功能的名称，开启重映射
如：
重映射外设USART1
重映射外设TIM1文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-811905.html
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-811905.html
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