stm32的GPIO寄存器操作以及GPIO外部中断，串口中断

一、学习参考资料

（1）正点原子的寄存器源码。

（2）STM32F103最小系统板开发指南-寄存器版本_V1.1（正点）

（3）STM32F103最小系统板开发指南-库函数版本_V1.1（正点）

（4）Cortex-M3权威指南(中文)

（5）STM32中文参考手册_V10

（6）stm32cubemx可视化时钟树配置

（7）其他博主文章

本文主要以stm32f1系列单片机为研究对象，从寄存器层面对时钟树的配置、中断优先级的配置进行阐述。

本文主要介绍GPIO口的寄存器配置，以及GPIO的外部中断的配置。

二、普通GPIO模式的配置

2.1、GPIO的基本知识点

由图可以所有普通GPIO口的外设都挂载在APB2总线上，GPIO的普通模式配置是比较简单的。

（1）使能APB2上对应GPIO的外设时钟。

（2）对应GPIO的寄存器设置其模式，并且设置高低电平。

输入模式：

1. 浮空输入(GPIO_Mode_IN_FLOATING）

浮空即逻辑器件既不接高电平也不接低电平，电压处于确定的情况，多用于外部按键ADC输入，减少上下拉电阻对结果的影响。

2.上拉输入(GPIO_Mode_IPU)

上拉就是把点位拉高，比如拉到Vcc。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平。电阻同时起到限流的作用。弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。

3.下拉输入(GPIO_Mode_IPD)

就是把电压拉低，拉到GND。与上拉原理相似。

4.模拟输入(GPIO_Mode_AIN)

模拟输入是指传统方式的输入，数字输入是输入PCM数字信号，即0、1的二进制数字信号，通过数模转换，转换成模拟信号，经前级放大进入功率放大器，功率放大器还是模拟的。

输出模式：

1. 开漏输出(GPIO_Mode_Out_OD)

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）。开漏形式的电路有以下几个特点：

利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up ，MOSFET到GND，IC内部仅需很小的栅极驱动电流。

一般来说，开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。(上拉电阻的阻值决定了逻辑电平转换的沿的速度 ，阻值越大，速度越低功耗越小，所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度。)

OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式，但是也有其弱点，就是带来上升沿的延时。因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电，所以当电阻选择小时延时就小，但功耗大;反之延时大功耗小。所以如果对延时有要求，则建议用下降沿输出。

可以将多个开漏输出的Pin连接到一条线上，通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成"与逻辑"关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。可以简单的理解为：在所有引脚连在一起时，外接一上拉电阻，如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，与之并联的回路"相当于被一根导线短路"，所以外电路逻辑电平便为0，只有都为高电平时，与的结果才为逻辑1。

2.开漏复用功能(GPIO_Mode_AF_OD)

可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用IO口使用）。端口必须配置成复用功能输出模式（推挽或开漏）。

3.推挽输出(GPIO_Mode_Out_PP)

可以输出高、低电平，连接数字器件；推挽结构一般是指两个三级管分别受到互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由IC的电源低定。

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形方法任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小，效率高。输出即可以向负载灌电流。推拉式输出级即提高电路的负载能力，又提高开关速度。

4.推挽复用功能(GPIO_Mode_AF_PP)

可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（并非作为通用IO口使用）。

GPIO与外设连接时的配置模式：STM32中文手册110页（外设的 GPIO 配置 ），配置不同的功能的时候可以参考。

2.2、普通GPIO模式的配置

使能APB2上对应的GPIO的时钟。

设置对应的GPIO模式。

下面是GPIO的普通模式的配置代码（正点）：

//初始化PB5和PE5为输出口.并使能这两个口的时钟		    
//LED IO初始化
void LED_Init(void)
{
	RCC->APB2ENR|=1<<3;    //使能PORTB时钟	   	 
	RCC->APB2ENR|=1<<6;    //使能PORTE时钟	
	   	 
	GPIOB->CRL&=0XFF0FFFFF; 
	GPIOB->CRL|=0X00300000;//PB.5 推挽输出   	 
  GPIOB->ODR|=1<<5;      //PB.5 输出高
											  
	GPIOE->CRL&=0XFF0FFFFF;
	GPIOE->CRL|=0X00300000;//PE.5推挽输出
	GPIOE->ODR|=1<<5;      //PE.5输出高 
}

三、GPIO的外部中断模式

3.1、GPIO外部中断的基础知识

STM32 的每个 IO 都可以作为外部中断 的中断输入口，这点也是 STM32 的强大之处。STM32F103 的中断控制器支持 19 个外部中断/ 事件请求。每个中断设有状态位，每个中断/事件都有独立的触发和屏蔽设置。

STM32F103 的 19 个外部中断为：
线 0~15 ：对应外部 IO 口的输入中断。
线 16 ：连接到 PVD 输出。
线 17 ：连接到 RTC 闹钟事件。
线 18 ：连接到 USB 唤醒事件。

GPIO外部中断的配置的基本流程如下所示：
（1） 辅助功能 IO 时钟使能。
（2）设置GPIO映射到对应的外部中断EXTI。
（3）开启line BITx上的中断。
（4）外部中断的触发方式的选择（上升沿或者下降沿）。

3.2、GPIO外部中断的寄存器配置

（1）辅助功能IO时钟使能。
注意，辅助功能IO时钟的使能是在APB2ENR使能寄存器的首位。其他外设的辅助功能IO时钟使能是在AFIO寄存器中。


（2） 设置GPIO映射到对应的外部中断EXTI。
这里就了到了上面讲的，将外部中断划分成16组的形式，对应16个引脚。


（3）开启line BITx上的中断。
中断的配置寄存器中和时间配置寄存器是在一起的，这里说明一下中断寄存器和事件寄存器之间的区别。
事件机制提供了一个完全有硬件自动完成的触发到产生结果的通道，不要软件的参与，降低了CPU的负荷，节省了中断资源，提高了响应速度(硬件总快于软件)，是利用硬件来提升CPU芯片处理事件能力的一个有效方法。

（4）外部中断的触发方式的选择（上升沿或者下降沿）。

3.3、GPIO的中断配置代码

下面是正点的GPIO中断配置代码：

其中外部中断的映射寄存器是四个bit位对应设置，这里函数入口只会给对那个引脚进行设置，这时候设置对应位时，就需要进行处理一下。

如上图所示，通过需要配置的引脚数PIN_NUM计算出来需要对那组寄存器进行配置（例如需要配置pin_5这个寄存器，5/4=1,所以需要配饰EXI5[3:0]）,并且需要计算出来配置的寄存器的起始偏移地址位置（例如需要配置pin_5这个寄存器，（5%4）*4=4，所以配置寄存器位就是AFIO_EXTICR2的第五位，即数组下表为4）。

//外部中断配置函数
//只针对GPIOA~G;不包括PVD,RTC和USB唤醒这三个
//参数:
//GPIOx:0~6,代表GPIOA~G
//BITx:需要使能的位;
//TRIM:触发模式,1,下升沿;2,上降沿;3，任意电平触发
//该函数一次只能配置1个IO口,多个IO口,需多次调用
//该函数会自动开启对应中断,以及屏蔽线   	    
void Ex_NVIC_Config(u8 GPIOx,u8 BITx,u8 TRIM) 
{
	u8 EXTADDR;
	u8 EXTOFFSET;
	EXTADDR=BITx/4;          //得到中断寄存器组的编号
	EXTOFFSET=(BITx%4)*4;       //获得中断寄存器组的首偏移地址
	RCC->APB2ENR|=0x01;         //使能io复用时钟			 
	AFIO->EXTICR[EXTADDR]&=~(0x000F<<EXTOFFSET);   //清除原来设置！！！
	AFIO->EXTICR[EXTADDR]|=GPIOx<<EXTOFFSET;       //EXTI.BITx映射到GPIOx.BITx 
	//自动设置
	EXTI->IMR|=1<<BITx;     //  开启line BITx上的中断
	//EXTI->EMR|=1<<BITx;   //不屏蔽line BITx上的事件 (如果不屏蔽这句,在硬件上是可以的,但是在软件仿真的时候无法进入中断!)
 	if(TRIM&0x01)EXTI->FTSR|=1<<BITx;    //line BITx上事件下降沿触发
	if(TRIM&0x02)EXTI->RTSR|=1<<BITx;    //line BITx上事件上升降沿触发
} 	  

下面是AFIO结构体寄存器的封装代码：

typedef struct
{
  __IO uint32_t IMR;
  __IO uint32_t EMR;
  __IO uint32_t RTSR;
  __IO uint32_t FTSR;
  __IO uint32_t SWIER;
  __IO uint32_t PR;
} EXTI_TypeDef;

#define EXTI                ((EXTI_TypeDef *) EXTI_BASE)

四、串口配置

4.1串口的基础知识

串口的主要配置参数有：波特率 、数据位 、奇偶校验位 、停止位 、数据流控制。

数据流控制（介绍）：

通过串口传输数据时，由于计算机之间处理速度或其他因素的影响，会造成丢失数据的现象。例如，台式机与单片机之间的通信，接收端数据缓冲区已满的情况下，继续收到数据，新发送来的数据就会由于无法处理造成丢失。数据流控制用于解决这个问题。通过控制发送数据的速度，确保数据不会出现丢失。

数据流控制可以分为软件流控制（Xon/Xoff）和硬件流控制，如图6.17所示，也可以选择不使用数据流控制。软件流控制使用特殊的字符作为启动或停止的标志。而硬件流控制通过使用硬件信号（CTR/RTS）来实现 。使用硬件流控制时，在接收端准备好接收数据后，设定CTS为1，否则CTS为0。同样，如果发送端准备好要发送数据，则设定RTS为1；如果还未准备好，设置CTS为0。

下面是usart配置的一些知识：
● 总线在发送或接收前应处于空闲状态
● 一个起始位
● 一个数据字 (8 或 9 位 ) ，最低有效位在前
● 0.5 ， 1.5 ， 2 个的停止位，由此表明数据帧的结束
● 使用分数波特率发生器 ------ 12 位整数和 4 位小数的表示方法。
● 一个状态寄存器 (USART_SR)
● 数据寄存器 (USART_DR)
● 一个波特率寄存器 (USART_BRR) ， 12 位的整数和 4 位小数
● 一个智能卡模式下的保护时间寄存器 (USART_GTPR)

可配置的停止位
随每个字符发送的停止位的位数可以通过控制寄存器 2 的位 13 、 12 进行编程。
**1.**1个停止位：停止位位数的默认值。
2. 2个停止位：可用于常规 USART 模式、单线模式以及调制解调器模式。
3. 0.5个停止位：在智能卡模式下接收数据时使用。
**4.**1.5个停止位：在智能卡模式下发送和接收数据时使用。
空闲帧包括了停止位。

单字节通信
清零TXE 位总是通过对数据寄存器的写操作来完成的。 TXE 位由硬件来设置，它表明：
● 数据已经从TDR 移送到移位寄存器，数据发送已经开始
● TDR 寄存器被清空
● 下一个数据可以被写进USART_DR 寄存器而不会覆盖先前的数据
如果TXEIE 位被设置，此标志将产生一个中断。

下面是串口的波特率的设置：

CPU的时钟频率越低，则某一特定波特率的误差也越低

根据上面的公式，知道波特率和PCLK1时钟就可以计算出来串口设置对应波特率时候，寄存器位USARTDIV的值应设置为多少。不同的串口挂载的的总线位置是不一样的，所以计算的时候fclk的值是不一样的。串口有挂载在PCLK1或者PCLK2上的。

下面是DMA的收和发的配置的形式：

下面是硬件控制流的知识点。

4.2、串口的收发寄存器配置

串口寄存器的配置，从普通的串口寄存器的基础参数的配置、串口的中断的寄存器配置、串口的DMA寄存器的配置。

4.2.1、串口的寄存器配置

串口的配置之前首先需要对GPIO进行配置。GPIO的引脚要设置成对应的形式（因为要与其它的外设联系，所以这里需要将GPIO于其他的外设复用起来）。

注意：配置串口等外设的时候，需要将GPIO的引脚与对应的外设（例如串口）联系起来，如果GPIO与外设的复用为"没有复用"（部分复用、完全复用）的时候，这时候只需要将GPIO口为输入模式的时候，配置成"复用推挽或者复用开漏输出"，GPIO口为输入的时候，就普通配置就可以了。

两者的共同点都是引脚可以通过给出正反向电压来控制MOS管导通从而让引脚输出高低电平，而两者区别就在于推挽复用输出不经过输出数据寄存器(ODR) 。
拿usart1为例：若要实现usart1的通信功能，我们就要同时使能GPIOA和外设USART1。如果采用推挽输出，则该引脚电平直接由ODR控制而不受usart外设的控制。因此采用推挽复用输出从而绕过ODR的限制，由相应的外设模块控制。

输入的时候和输出不一样，是没有"输出控制器"，所以输入会同时以两路传输到芯片的内部，"A"、"B"、"C"三路都是有信号输入的。

上面知识的链接：STM32中推挽输出和推挽复用输出的区别 - 案板上的三文鱼 - 博客园 (cnblogs.com)

下面将针对"USART1"的串口的配置，中断，DMA进行阐述。
（1）使能USART1的GPIO口的时钟，USART1串口的时钟（PA9、PA10）

	RCC->APB2ENR|=1<<2;       //使能PORTA口时钟  
	RCC->APB2ENR|=1<<14;      //使能串口时钟 

（2）IO状态的配置

	GPIOA->CRH&=0XFFFFF00F;   //IO状态设置，引脚状态的清零
	GPIOA->CRH|=0X000008B0;   //IO状态设置 ，引脚状态的配置

（3）对串口时钟复位之后，停止复位后进行配置

	RCC->APB2RSTR|=1<<14;     //复位串口1
	RCC->APB2RSTR&=~(1<<14);  //停止复位	  

（4）波特率，数据位，校验位，硬件流控制

前面GPIO的配置都已经讲过了，这里串口的配置还没有讲，这里进行详细的介绍。USART的控制寄存器，有下面的比较常用的7个寄存器。

状态寄存器（USART_SR）是串口的"发送完成"等标志。

数据寄存器（USART_DR），是串口数据寄存去，它由两个寄存器组成"TDR"和"RDR"，

波特比率寄存器（USART_BRR），是串口的波特率设置的寄存器，分为整数部分寄存器和小数部分寄存器。

控制寄存器1（USART_CR1），串口的使能，以及发送接收等寄存器的使能的设置。

控制寄存器2（USART_CR2）

控制寄存器3（USART_CR3）

保护时间和预分频寄存器（USART_GTPR）,该寄存器一般都是在低功耗的时候使用，使用比较少。

对串口进行配置的时候，可以根据实际的需求进行配置。

USART1->BRR=mantissa;     //波特率设置	 
USART1->CR1|=0X200C;      //1位停止,无校验位.

（5）使能中断，并对中断优先级配置

串口中断的配置，需要根据串口的控制寄存器，使能串口的接收缓冲区非空中断使能，然后根据中断的通道对中断进行配置。中断的配置下面讲

USART1->CR1|=1<<5;        //接收缓冲区非空中断使能

4.2.2、串口的中断的寄存器配置

串口中断的配置，就是抢占优先级和响应优先级的配置，这两个参数进行配置的时候需要根据设置的中断优先级进行配置。配置的时候需要根据中断的通道进行配置。这部分知识是在内核手册的文档中的，"Cortex-M3权威指南(中文)"。

下面是中断的使能寄存器，Cortex-M3

4.2.3、串口的DMA寄存器配置