立創·天空星開發板-GD32F407VE-GPIO

本文以 立創·天空星開發板-GD32F407VET6-青春版 作為學習的板子，記錄學習筆記。

立創·天空星開發板-GD32F407VE-GPIO

- 基礎概念
- - 三極管
  - MOS管
- GPIO輸出模式
- 輸出線與
- GPIO輸入模式
- GPIO點燈

基礎概念

GPIO，全稱為“通用輸入/輸出”（General Purpose Input/Output），是計算機系統中用于與外部世界進行數字通信的一種接口標準。
它允許硬件和軟件通過電信號來交換數據，控制外部設備或接收外部事件。
GPIO通常用于連接各種外設，如按鈕、LED燈、傳感器、馬達、繼電器等，以便與計算機系統進行交互。GD32 支持的 GPIO 模式有如下八種：

模式	性質
浮空輸入	數字輸入
上拉輸入	數字輸入
下拉輸入	數字輸入
模擬輸入	模擬輸入
開漏輸出	數字輸出
推挽輸出	數字輸出
復用開漏輸出	數字輸出
復用推挽輸出	數字輸出

三極管

總是記混 NPN 和 PNP 這兩種型號的三極管，如下圖所示：

三極管原理圖對比
特性描述：

電流關系: $I_E = I_B + I_C$
導通條件: NPN型的基極比發射極電壓高0.7v，PNP型的基極比發射極電壓低0.7v
設計原理圖: 無論是 NPN 還是 NPN 型的三極管，耗電元器件都需要接在集電極

助記小技巧：

電路圖中，箭頭永遠指向的 N 極，根據箭頭可快速確認是 NPN 還是 PNP
電路圖中，箭頭對應的極比箭尾對應的極的電壓要低

思維導圖：

三極管思維導圖

MOS管

MOS管有 NMOS 和 PMOS 兩種類型。MOS管包含了三個極：

柵極（G），對應英文單詞：Gate
漏極（D），對應英文單詞：Drain
源極（S），對應英文單詞：Source

MOS管的作用就是開關，通過柵極控制漏極和源極的導通。主要關注兩個點：

控制：負責MOS管導通和截止，高電平導通還是低電平導通。
流向：是從漏極流向源極，還是從源極流向漏極。

MOS管和三級管主要區別：三極管導通有電流，而MOS管導通沒有電流（有點像繼電器）

一張圖搞懂 MOS 管，如下所示：

如果 Input 為高電平，PMOS 斷開，NMOS 導通，如果 GPIO_PIN_X 有上拉電阻，則電流可以順利從 NMOS 的漏極（D）流向源極（S）。
如果 Input 為低電平，PMOS 導通，NMOS 斷開，如果 GPIO_PIN_X 有下拉電阻，則電流可以順利從 PMOS 的源極（S）流向漏極（D）。

特點描述：

PMOS 的柵極（G）低通高斷，導通時，電流方向是源極（S）流向漏極（D）
PMOS 可以類比 PNP 類型的三極管
NMOS 的柵極（G）高通低斷，導通時，電流方向是漏極（D）流向源極（S）
NMOS 可以類比 NPN 類型的三極管

思維導圖：

MOS管思維導圖

GPIO輸出模式

推挽輸出

【推】寄存器控制輸出高電平時，過非門后變低電平，PMOS導通，外部引腳為高，電流流出

輸出高電平

【挽】寄存器控制輸出低電平時，過非門后變高電平，NMOS導通，外部引腳為低，電流流入

開漏輸出

寄存器控制輸出低電平時，過非門后變高電平，NMOS導通，外部引腳為低，電流流入

輸出低電平

寄存器控制輸出高電平時，因為PMOS未接入，所以外部引腳斷開。

無法輸出高電平

高阻態

因為 PMOS和 NMOS 均未接入，無論寄存器輸出高或者低，外部引腳始終斷開。

高阻態

復用開漏輸出和復用推挽輸出

不經過寄存器來輸出高低電平，也就是下圖中的 Alternate function output 部分

在這里插入圖片描述

輸出線與

推挽線與

推挽過程中，如果一方輸出高，一方輸出低，則會燒芯片。因此，推挽是不可以線與的。

推挽線與
2. 開漏線與

開漏過程中，無論雙方輸出高低電平，芯片都不會收到影響。I2C就是線與的一個實例。
開漏線與

GPIO輸入模式

浮空輸入

就是將模擬信號、上拉、下拉全部斷開，只接收外部電路的輸入信號。如下圖紅色線條所示：

上拉輸入

過上拉電阻后，經由斯密特觸發器，寫入寄存器。如下圖紅色線條所示：
過斯密特后，也可做復用輸入，不寫入寄存器

下拉輸入

過下拉電阻后，經由斯密特觸發器，寫入寄存器。如下圖紅色線條所示：
過斯密特后，可做復用輸入，不寫入寄存器

模擬輸入

不經過斯密特觸發器，直接讀入。如下圖紅色線條所示：

模擬輸入

GPIO點燈

我用 GPIO 封裝了一個可以動態點亮多個 LED 的拓展驅動，針對 PD 端口, 可以動態增加 LED 燈的引腳。只需要修改 LED_PINS 數組的元素即可。

ExtendedLED.h

#ifndef __EXTENDED_LED_H__
#define __EXTENDED_LED_H__#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"#define LED_RCU  RCU_GPIOD
#define LED_PORT GPIOD
#ifndef BIT
#define BIT(x) ((uint16_t)((uint16_t)0x01U<<(x)))
#endif// 聲明需要針對的引腳, PDx(x=8...15)
static uint32_t LED_PINS[] = {BIT(8),  BIT(9),  BIT(10), BIT(11),BIT(12), BIT(13), BIT(14), BIT(15)
};/*!\brief    初始化 LED\param[in]  none\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_init();/*!\brief    熄滅所有 LED 燈\param[in]  none\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_turn_off_all();/*!\brief    點亮所有 LED 燈\param[in]  none\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_turn_on_all();/*!\brief    熄滅 LED 燈\param[in]  index[int]: LED 燈在 LED_PINS 數組中的索引, -1 針對所有引腳\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_turn_off(int index);/*!\brief    點亮 LED 燈\param[in]  index[int]: LED 燈在 LED_PINS 數組中的索引, -1 針對所有引腳\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_turn_on(int index);/*!\brief    運行多個共陽 LED 燈示例: extended_led_run(0,  1, 1); 效果為：從第一個燈開始依次亮起, 切燈過程不熄滅其他燈[流水燈]示例: extended_led_run(0,  1, 0); 效果為：從第一個燈開始依次亮起, 切燈過程會熄滅其他燈[跑馬燈]示例: extended_led_run(0,  2, 1); 效果為：按 0.2.4.6 順序依次亮起, 切燈過程不熄滅其他燈[流水燈]示例: extended_led_run(1,  2, 0); 效果為：按 1.3.5.7 順序依次亮起, 切燈過程會熄滅其他燈[跑馬燈]示例: extended_led_run(6, -2, 1); 效果為：按 6.4.2.0 順序依次亮起, 切燈過程不熄滅其他燈[流水燈]示例: extended_led_run(7, -2, 0); 效果為：按 7.5.3.1 順序依次亮起, 切燈過程會熄滅其他燈[跑馬燈]\param[in]  status  [uint16_t]:     表示燈的狀態, 可選值有 (亮:0) 或 (滅:1)\param[in]  start   [uint32_t]:     表示從哪個燈開始亮, 可選值有 0...\param[in]  step    [int16_t] :     表示切燈的時候跨越步長, 可選值有 0...\param[in]  flowing [uint16_t]:     表示切燈的時候是否采用流水燈\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_run(uint16_t status, uint32_t start, int16_t step, uint16_t flowing);#endif

ExtendedLED.c

#include "ExtendedLED.h"// 獲取 LED 燈的總數
static uint16_t pins_length(void) {return sizeof(LED_PINS) / sizeof(LED_PINS[0]);
}// 獲取所有引腳
static uint16_t pins_all(void) {int length = 0, i = 0;length = pins_length();uint16_t pin = (uint16_t)0x00U;for(i = 0; i < length; i++) {pin |= LED_PINS[i];}return pin;
}/*!\brief    初始化 LED\param[in]  none\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_init() {rcu_periph_clock_enable(LED_RCU);gpio_mode_set(LED_PORT, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, pins_all());gpio_output_options_set(LED_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_2MHZ, pins_all());gpio_bit_set(GPIOD, pins_all());
}/*!\brief    熄滅所有 LED 燈\param[in]  none\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_turn_off_all() { extended_led_turn_off(-1); }/*!\brief    點亮所有 LED 燈\param[in]  none\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_turn_on_all() { extended_led_turn_on(-1); }/*!\brief    熄滅 LED 燈\param[in]  index[int]: LED 燈在 LED_PINS 數組中的索引, -1 針對所有引腳\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_turn_off(int index) {int length = pins_length();if (index >= length) {return;}if (index < 0) {gpio_bit_set(GPIOD, pins_all());   // 負數針對所有return;}gpio_bit_set(GPIOD, LED_PINS[index]);
}/*!\brief    點亮 LED 燈\param[in]  index[int]: LED 燈在 LED_PINS 數組中的索引, -1 針對所有引腳\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_turn_on(int index) {int length = pins_length();if (index >= length) {return;}if (index < 0) {gpio_bit_reset(GPIOD, pins_all());   // 負數針對所有return;}gpio_bit_reset(GPIOD, LED_PINS[index]);}/*!\brief    運行多個共陽 LED 燈示例: extended_led_run(0,  1, 1); 效果為：從第一個燈開始依次亮起, 切燈過程不熄滅其他燈[流水燈]示例: extended_led_run(0,  1, 0); 效果為：從第一個燈開始依次亮起, 切燈過程會熄滅其他燈[跑馬燈]示例: extended_led_run(0,  2, 1); 效果為：按 0.2.4.6 順序依次亮起, 切燈過程不熄滅其他燈[流水燈]示例: extended_led_run(1,  2, 0); 效果為：按 1.3.5.7 順序依次亮起, 切燈過程會熄滅其他燈[跑馬燈]示例: extended_led_run(6, -2, 1); 效果為：按 6.4.2.0 順序依次亮起, 切燈過程不熄滅其他燈[流水燈]示例: extended_led_run(7, -2, 0); 效果為：按 7.5.3.1 順序依次亮起, 切燈過程會熄滅其他燈[跑馬燈]\param[in]  status  [uint16_t]:     表示燈的狀態, 可選值有 (亮:0) 或 (滅:1)\param[in]  start   [uint32_t]:     表示從哪個燈開始亮, 可選值有 0...\param[in]  step    [int16_t] :     表示切燈的時候跨越步長, 可選值有 0...\param[in]  flowing [uint16_t]:     表示切燈的時候是否采用流水燈\param[out] none\retval     none
*/
void extended_led_run(uint16_t status, uint32_t start, int16_t step, uint16_t flowing) {int length = pins_length();int i = 0;if(start < 0 || start >= length) {start = 0;}if(start + step  >= length) {start = length - 1 - (step - 1);}for(i = start; i < length && i > -1; i += step) {if(status) {// 熄滅指定索引的燈extended_led_turn_off(i);} else {// 點亮指定索引的燈if(!flowing) {// 如果不是流水燈, 每次切燈之前都需要關掉所有燈extended_led_turn_off(-1);delay_1ms(200);}extended_led_turn_on(i);}delay_1ms(200);}
}

main.c

#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"
#include <stdio.h>#include "ExtendedLED.h"int main(void) {systick_config();extended_led_init();extended_led_run(0, 0,  1, 1);extended_led_run(1, 7, -1, 1);extended_led_run(0, 0,  1, 0);extended_led_turn_off_all();while(1) { }
}