05-GPIO原理

一、概述

1、GPIO,即通用I/O(輸入/輸出)端口，是STM32可控制的引腳。STM32芯片的GPIO引腳與外部設備連接起來，可實現與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數據的功能。

?2、GPIO的復用:引腳復用是指將單個引腳配置為多個功能的能力。在 STM32 中，每個引腳都可以配置為多個不同的功能，如GPIO(輸入/輸出數據)、定時器、UART、SPI等。這樣一來，通過配置引腳復用功能，可以實現多種硬件功能的連接和實現，提高了芯片的靈活性和可擴展性。引腳默認為IO口。

二、GPIO的工作模式

?1、八大模式和四種輸出速度

4種輸入模式

（1）浮空輸入（即不連接內部上下拉電阻）

（2）上拉輸入（連接上拉電阻）

（3）下拉輸入（連接下拉電阻）

（4）模擬輸入（用于檢測模擬信號的輸入）

4種輸出模式?

（5）開漏輸出（帶上拉或者下拉）

（6）復用開漏輸出（帶上拉或者下拉）

（7）推挽輸出（帶上拉或者下拉）：程序員可以輸出高電平與低電平

（8）復用推挽輸出（帶上拉或者下拉）：程序員可以低電平，想要輸出電平，芯片外部需要有上拉電阻。

4種最大輸出速度

（1）2MHZ? (低速)

（2）25MHZ??(中速)

（3）50MHZ??(快速)

（4）100MHZ??(高速)

2、上下拉電阻

上拉電阻：

將一個不確定的信號，通過一個電阻與電源VCC相連，固定在高電平；
上拉是對器件注入電流；灌電流；
當一個接有上拉電阻的IO端口設置為輸入狀態時，它的常態為高電平；

下拉電阻：

將一個不確定的信號，通過一個電阻與地GND相連，固定在低電平；
下拉是從器件輸出電流；拉電流；
當一個接有下拉電阻的IO端口設置為輸入狀態時，它的常態為低電平；

?三、寄存器編程

1、基本概念

寄存器是微處理器或微控制器內部的小型存儲單元，用于臨時存儲數據、指令或控制信號。寄存器通常由硬件實現，并且可以直接通過CPU訪問。寄存器的設計目的是為了提高處理器的性能，因為它們比內存訪問更快。在微控制器如STM32F407中，寄存器用于配置和控制各種外設的功能。

2、寄存器分類

通用寄存器：用于存儲數據或作為臨時存儲空間。
狀態寄存器：存儲有關處理器狀態的信息，如標志位。
控制寄存器：用于控制處理器的行為。
外設寄存器：用于配置和控制微控制器中的外設。

?3、常見寄存器及用途

GPIO寄存器：- GPIOx_MODER：配置GPIO引腳的工作模式（輸入、輸出、復用功能等）。
- GPIOx_OTYPER：配置GPIO引腳的輸出類型（推挽或開漏）。
- GPIOx_OSPEEDR：配置GPIO引腳的輸出速度。
- GPIOx_PUPDR：配置GPIO引腳的上拉/下拉電阻。
- GPIOx_IDR：讀取GPIO引腳的輸入值。
- GPIOx_ODR：設置GPIO引腳的輸出值。
- GPIOx_BSRR：設置或清除GPIO引腳的輸出值。
- GPIOx_LCKR：鎖定GPIO引腳的配置。時鐘控制寄存器：
- RCC_CR：控制時鐘源的選擇和啟動。
- RCC_PLLCFGR：配置PLL（Phase-Locked Loop）時鐘。
- RCC_CFGR：配置時鐘樹，包括AHB/APB總線時鐘。
- RCC_CIR：時鐘中斷寄存器。中斷寄存器：
- NVIC_ISER：中斷使能寄存器。
- NVIC_ICER：中斷清除使能寄存器。
- NVIC_ISPR：中斷掛起寄存器。
- NVIC_ICPR：中斷清除掛起寄存器。
- NVIC_IPR：中斷優先級寄存器。

4、寄存器地址 = 外設的基地址+偏移地址

下面的邊界地址即為外設的基地址

例如

RCC_AHB1ENR寄存器地址 = RCC基地址+偏移地址

RCC_AHB1ENR寄存器地址 = 0x40023800+0x30

寄存器分析；

5、寄存器點燈例子：

（1）理解LED電路原理圖

LED0連接在PF9

PF9輸出低電平，燈亮；輸出高電平，燈滅

led.c文件代碼：

#include "led.h"/************************************
引腳說明：
LED0連接在PF9
PF9輸出低電平，燈亮；輸出高電平，燈滅************************************/void Led_Init(void)
{    //將第5位置1,你使能GPIOF組時鐘RCC_AHB1ENR |= (0x01<<5);//配置PF9輸出模式GPIOF_MODER &= ~(0x01<<19); //19位清0GPIOF_MODER |= (0x01<<18);  //18位置1//配置PF9推挽輸出GPIOF_OTYPER &= ~(0x01<<9); //9位清0//配置PF9中速 25MHZGPIOF_OSPEEDR &= ~(0x01<<19); //19位清0GPIOF_OSPEEDR |= (0x01<<18);  //18位置1    //配置PF9中速無上下拉GPIOF_PUPDR &= ~(0x01<<19); //19位清0GPIOF_PUPDR &= ~(0x01<<18); //18位清0
}

main.c文件：


#include <stdio.h>
#include "led.h"//粗延時(就是延時不一定準確的意思)void delay(int n)
{int i, j;for(i=0; i<n; i++)for(j=0; j<10000; j++);
}int main(void)
{//初始化后GPIOF_ODR默認為低電平，所以燈亮Led_Init();while(1){//燈亮GPIOF_ODR &= ~(0x01<<9);  //9位清0delay(1000);//燈滅GPIOF_ODR |= (0x01<<9);  //9位置1delay(1000);        }return 0;
}

led.h文件：

#ifndef __LED_H
#define __LED_H//注意：0x40023800這個地址是根據不同的寄存器來決定的，編寫多個寄存器的時候要非常注意有沒有改
#define  RCC_AHB1ENR   	*((volatile unsigned int *)(0x40023800 + 0x30)) //值強制轉換為地址  通過解引用訪問地址空間
#define  GPIOF_MODER   	*((volatile unsigned int *)(0x40021400 + 0x00)) 
#define  GPIOF_OTYPER   *((volatile unsigned int *)(0x40021400 + 0x04)) 
#define  GPIOF_OSPEEDR  *((volatile unsigned int *)(0x40021400 + 0x08)) 
#define  GPIOF_PUPDR    *((volatile unsigned int *)(0x40021400 + 0x0C)) 
#define  GPIOF_ODR    	*((volatile unsigned int *)(0x40021400 + 0x14))
void Led_Init(void);#endif

四、使用庫函數編程來點燈的例子

1、背景

🔸優點:

性能優化: 直接通過寄存器進行操作可以減少中間層的調用，提高程序執行效率。
靈活性高: 寄存器編程允許開發者直接控制硬件，提供最大的靈活性來定制特定的功能。
代碼緊湊: 通常情況下，寄存器級別的編程會生成更緊湊的代碼，有助于節省內存空間。

🔸缺點:

易出錯: 寄存器編程需要對硬件有深入的理解，容易因為配置錯誤而導致問題。
移植性差: 不同的微控制器可能有不同的寄存器布局和功能，這使得代碼難以在不同的硬件之間移植。
調試困難: 錯誤往往不易被發現，調試過程可能會比較復雜且耗時。

2、庫函數的使用步驟

1、需要在keil5中添加RCC和GPIO庫

2、使能端口F（PF9屬于GPIOF組）的硬件時鐘（芯片所有外設都是關閉時鐘，原因為了降低功耗）

//使能GPIOF組時鐘
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);

3、(3)初始化引腳功能（推挽輸出速度上/下拉）

  GPIO_InitTypeDef    GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin    = GPIO_Pin_9; //引腳9GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_OUT;//輸出GPIO_InitStruct.GPIO_OType    = GPIO_OType_PP;//推挽模式GPIO_InitStruct.GPIO_Speed    = GPIO_Speed_25MHz;//25MHZ速度GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd    = GPIO_PuPd_NOPULL; //無上下拉GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);

4、設置引腳電平

GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) //設置引腳為高電平
GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)//設置引腳為低電平

3、庫函數開發例子2（按鍵）

（1）理解KEY電路原理圖

KEY0連接PA0

KEY0按下，PA0為低電平

KEY0未按下，PA0為高電平

2、使能GPIO時鐘

    //使能GPIOA組時鐘RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

3、配置PA0引腳

引腳輸入時，不需要配置GPIO 端口輸出類型及GPIO 端口輸出速度

    //結構體變量GPIO_InitTypeDef    GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin    = GPIO_Pin_0;     //引腳0GPIO_InitStruct.GPIO_Mode    = GPIO_Mode_IN;    //輸入模式GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd    = GPIO_PuPd_UP; //根據外面電路來設置即可

4、讀引腳電平

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

具體代碼：四個按鍵控制四個燈

key.h文件：

#ifndef   _KEY_H
#define   _KEY_H#include "stm32f4xx.h"void key_init(void);
void led_init(void);enum
{key0 = 1,key1,key2,key3,
};u8 Key_Scan(u8 mode);#endif

key.c文件：

#include "key.h"//key2,key3,key4的引腳為PE組的2，3，4void key_init(void)
{// 使能GPIOA組時鐘RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; // 入GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; // 上拉GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// 使能GPIOE組時鐘RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct1;GPIO_InitStruct1.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4;GPIO_InitStruct1.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; // 入GPIO_InitStruct1.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; // 上拉GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct1);
}void led_init(void)
{// 使能GPIOF組時鐘RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10; // 引腳9GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;			 // 輸出GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;			 // 推挽模式GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_25MHz;		 // 25MHZ速度GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;		 // 無上下拉GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);// 使能GPIOE組時鐘RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct1;GPIO_InitStruct1.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14; // 引腳13GPIO_InitStruct1.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;			   // 輸出GPIO_InitStruct1.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;		   // 推挽模式GPIO_InitStruct1.GPIO_Speed = GPIO_Speed_25MHz;		   // 25MHZ速度GPIO_InitStruct1.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;		   // 無上下拉GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct1);// 關閉所有LED（假設低電平點亮LED）GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10);GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14);
}void delays(int n)
{int i, j;for (i = 0; i < n; i++)for (j = 0; j < 10000; j++);
}// u8 == unsigned char
/************************************
函數功能:按鍵掃描
返回值：
成功:按下返回按鍵標志位，如：KEY0標志位1,KEY1標志位2,KEY2標志位3,KEY3標志位4
失敗:0u8 mode:是否支持連按
0:不支持連按
1:支持連按*************************************/
u8 Key_Scan(u8 mode)
{// key_up保存上一次的值static u8 key_up = 1; // 按鍵標志，表示未按下if (mode == 1) // 支持連按key_up = 1;if (key_up && (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0) | (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_2) == 0) | (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_3) == 0) | (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_4) == 0)){delays(15);key_up = 0; // 表示按下（防止重復觸發）if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0){return key0; // KEY0標志值為1}if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_2) == 0){return key1; // KEY0標志值為1}if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_3) == 0){return key2; // KEY0標志值為1}if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_4) == 0){return key3; // KEY0標志值為1}}else if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 1 | GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_2) == 1 | GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_3) == 1 | GPIO_ReadInputDataBit(GPIOE, GPIO_Pin_4) == 1) // 未按下--也可以理解為松開{key_up = 1; // 按鍵松開key_up == 1}// 未操作按鍵（按鍵松開）return 0;
}

main.c文件：

#include <stdio.h>
#include "key.h"//粗延時(就是延時不一定準確的意思)void delay(int n)
{int i, j;for(i=0; i<n; i++)for(j=0; j<10000; j++);
}int main()
{//初始化后GPIOF_ODR默認為低電平，所以燈亮key_init();led_init();u8 value = 0;u8 key = 0;while(1){     //支持連按key = Key_Scan(1);if(key == key2){GPIO_ToggleBits(GPIOE, GPIO_Pin_13);}//不支持連按value = Key_Scan(0);if(value == key0){GPIO_ToggleBits(GPIOF, GPIO_Pin_9);}if(value == key1){GPIO_ToggleBits(GPIOF, GPIO_Pin_10);}
//		if(value == 3)
//		{
//			GPIO_ToggleBits(GPIOE, GPIO_Pin_13);
//		}if(value == key3){GPIO_ToggleBits(GPIOE, GPIO_Pin_14);}}return 0;
}

五、應用領域：如常見家里的電子門鎖。