STM32学习笔记2-GPIO的输出模式

GPIO

GPIO：通用输入输出口；可配置8种输入输出模式

引脚电平：0V-3.3V，部分引脚可容忍5V也可认为高电平，但是对于输出而言，最大就只能输出3.3V，因为供电就只有3.3V，

能容忍5v的在以下的引脚定义下，I/O电平含FT的可以

输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等

输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入（最常用）、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等

GPIO的基本结构：GPIO挂载在APB2上的

总共有16个引脚，一般称为PA0~PA15

GPIO分为不同的模块：用GPIOA、GPIOB来表示，主要包含了寄存器（是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，从而完成对于的输入输出功能）和驱动器。

在模块内每一个位对于一个引脚，其中输出寄存器写1，对于的引脚就会输出高电平，写0就输出低电平，输入同理。

STM32为32位的寄存器，但是模块中的端口只有16位，所有这个寄存器只有低16位的端口

GPIO的电路图：

输入部分

引脚部分

这接入了两个保护二极管，目的是保护电路的：

上面的二极管接VDD，3.3V：如果输入电压比3.3V还要高，则上方会被导通，输入电压产生的电流会流入VDD，从而保护电路；

下面的二极管接VSS，0V：同理；

补：VDD：代表总正极，常用于现代电子

VCC：代表总正极，常用于三极管等

VSS：代表总负极，在MOS管电路中更常用。

GND：所有电路的公共回路

如果电流在0-3.3V中则两边都不接通，正常流入到电路中来

这里连接一个上拉电阻（连至VDD）和下拉电阻（连至VSS），这个开关是可以通过程序进行配置的：如果上面导通，下面断开，就是上拉输入模式（高电平模式），反之；如果两个都断开则为浮空模式；如果两者都接入，并不会同时生效，相互存在互斥，为了防止电源短路风险。

作用：为了给输入提供一个默认的输入电平，因为当输入电平时没有让引脚的输入为低电平或者是高电平时，电路也不知道它是什么状态，则会被其他外界的环境所干扰；目的是不影响正常的输入操作。

补：电路：由电子元器件（电阻、电容、晶体管等）和导线组成的闭合路径，用于传输电能或处理电信号

电压：电势差（单位：伏特 V），表示电场中两点之间的能量差，驱动电流流动。

电平：表示数字信号的状态（高电平或低电平），通常对应特定的电压范围。

电流：电荷的定向流动（单位：安培 A），由电压驱动。

电平信号：用电压表示的离散信号，通常用于数字通信。

肖特基（施密特）触发器：

对输入电压进行整形：如果是输入电压大于某一个阈值，输出就会瞬间变为高电平，反之；

例如：通常的引脚输入的模拟信号为波形模拟信号：

会通过施密特触发器对信号进行整形，中间留有流动范围，可以有效地避免因信号波动造成的是输出抖动现象

之后就可以通过输入寄存器输入数据了，我们再用程序去读取输入数据寄存器对于某一位的数据，就可以知道端口的输入电平；

是连接片上外设的一些端口：

模拟输入：连至ADC(模拟到数字转换器)，因为它需要接受模拟数据量，所以接入在触发器之前的

复用功能输入：连接到其他需要读取端口的外设上的

输出部分

数字部分可以由输出寄存器和片上外设控制，两者方式通过数据选择器接到输出控制部分；

输出寄存器：

为普通IO输出，写数据寄存器的某一位就可操作对于的某个端口；同时控制低16位端口，并且只能整体读写，

所以如果想控制一个端口而不影响其他端口的话，需要特殊操作：

1.先读出这个寄存器，然后按位与&=和按位或|=的方式更改某一位。最后将更改的数据写回去；

2. （主要）设置位设置/清楚寄存器（可以单独拿操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位），在位设置寄存器上的对于的位上修改为1即可，不修改的位置写0。如果想对一位进行清0的操作，在位清除寄存器上对应位写1即可；

3.读写STM32的位带区域（这段地址映射了RAM和外设寄存器所有的位）；

两个Mos管，上面是P-MOS，下面N-MOS

MOS管就是一种电子开关，信号来控制开关的导通或关闭，开关负责将IO口接到VDD或者VSS。

推挽、开漏、关闭三种输出方式：

1.推挽

P-MOS和N-MOS均有效，数据寄存器为1时，上管导通，下官断开，输出直接接到VDD，输出高电平，反之；这种模式，高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽模式也叫强输出模式。在此模式下STM32对IO口有着绝对的控制权。

2.开漏

P-MOS无效，N-MOS有效，数据寄存器为1时，下官断开，这是输出相当于断开，属于高阻模式；为0时，则是输出低电平；这种模式下只有低电平有驱动能力，作为通讯协议的模式。同时还可以用于输出5V电平信号

3.关闭

P-MOS和N-MOS均无效：当引脚配置为输入模式的时候，端口的电平由外部设备进行控制；

GPIO的8种工作模式：通过配置端口的配置寄存器

1.

电路结构基本一样，区别在与上拉电阻和下拉电阻的连接。在浮空输入模式下，端口一定要接一个连续的驱动源，从而不出现浮空的状态。

VDD 3.3V端口和VDD_FT 容忍5V端口

2.

ADC模数转换器的专属：

只有这个模式会关闭数字的输入功能

3.

区别是在高电平下的状态

可以发现输出情况下，输入是存在的，因为一个端口只有一个输出，可以有多个输入

4.

更多内容参考STM32F10xxx参考手册（中文）-第8章

GPIO的寄存器

每个端口的模式由4位进行配置

由端口配置低寄存器和端口配置高寄存器，具体配置在参考手册中

端口输入数据寄存器：，只用低16位

端口输出数据寄存器，同理

端口位设置/清除寄存器

端口位清除寄存器：为了与端口位设置/清除寄存器进行区别，此寄存器只进行位清除

端口位设置/清除寄存器，对端口的配置进行锁定，防止被更改

GPIO的外部设备和电路

LED和蜂鸣器：

LED：

发光二级管，正向通电点亮，反向通电不亮，长脚为正极，内部里较小的是正极。

STM32的GPIO口驱动LED的电路

低电平驱动的电路

LED正极接入3.3V，负极通过一个限流电阻接到PA0上，当PA0输出低电平时，LED两端会产生电压差就会形成正向导通的电流，这样LED就点亮了。当PA0输出高电平时，因为LED两端都是3.3V电压，不会形成电流；限流电阻：防止LED电流过大而烧毁和调整LED的亮度；

补：此时的电压差解释：本质电压差：电路中两点之间的电压之差（即电势差）；当PA0为低电平时，电压差=V正极​−V负极​=3.3V−0V=3.3V（不考虑电阻），故灯亮；当PA0为高电平时，电压差=V正极​−V负极​=3.3V−3.3V=0V，故灯灭

高电平驱动的电路

LED负极接入GND，正极通过一个限流电阻接到PA0上，反之；

至于这两种接入的选择，需靠考虑输入输出的驱动器，正如我们的STM32的GPIO的推挽模式下，低电平和高电平都具有较高的驱动能力，所以都可以使用，而对单片机或部分芯片中，都使用了高电平弱驱动，低电平高驱动的方法。

有源蜂鸣器：

内部自带振荡源，将正负极接上直流电压即可持续发声，频率固定。

电路中用了个三极管开关进行驱动，在VCC和GND上分别接上正负极的供电，中间的引脚2接入低电平，蜂鸣器就会响，高电平停止。

无源蜂鸣器：内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音

三极管可防止IO驱动使STM32负担过重：左边的是基极，带箭头的是发射极，剩下的是集电极

PNP三极管的驱动电路

电流方向：电流从发射极（E）流向集电极（C），基极（B）控制导通

基极给低电平，三极管则会导通，通过3.3V和GND可以给蜂鸣器提供驱动电流

基极给高电平，三极管停止，蜂鸣器没有电流

NPN三极管的驱动电路

电流方向：电流从集电极（C）流向发射极（E），基极（B）控制导通。

驱动逻辑与上分之

注：PNP的三极管最好接在上边，NPN的三极管最好接在下边："上边"通常指靠近电源（VCC）的一侧 ，"下边"指靠近地（GND）的一侧。

因为三级管的通断，是需要在发射极和基极产生一定的开启电压

面包板

当把元件的引脚插入面包板的孔里后，面包板内部的金属爪就会夹住引脚。

如果需要供电，就从上下的孔位，用跳线引出来即可；

如果中间部分的面包板，没有连接需要用跳线进行连接

点亮LED电路

操作GPIO，需要使用三个步骤：

1. 使用RCC开启GPIO的时钟
2. 使用GPIO_Init函数初始化GPIO
3. 使用输出或输入的函数控制GPIO口

从库函数中找到RCC和GPIO两个外设相关的函数库：

stm32f10x_rcc和stm32f10x_gpio，通过查看其头文件。来找到我们需要的库函数

stm32f10x_rcc：

void RCC_AHBPeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHBPeriph, FunctionalState NewState);//RCC AHB外设时钟控制

void RCC_APB2PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB2Periph, FunctionalState NewState); //RCC APB2外设时钟控制

void RCC_APB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_APB1Periph, FunctionalState NewState); //RCC APB1外设时钟控制

跳到对应的函数里，查看调用信息：

注释上有对此函数的相关说明，以及相关参数：

stm32f10x_gpio.h：

void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef* GPIOx); //所指定的GPIO外设就会被复位

void GPIO_AFIODeInit(void); //可以复位AFIO外设

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);//用结构体的参数来初始化GPIO口，需要手动配置一个结构体变量并赋值。

void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct);  //把结构体变量赋值为一个默认值

//以下四个为GPIO的读取函数

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

//以下四个为GPIO的写入函数：

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);  //可以指定的端口设置为高电平

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);  //可以指定的端口设置为低电平

void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);  //根据三个参数的值，来设定此端口的电平

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);   //可以同时对16个端口进行写入操作

接线图：

LED闪烁

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	//定义结构体变量
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;//对其成员工作模式进行配置：推挽模式
	//GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;//开漏输出模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;//GPIO的引脚位置配置为我们接入的A0引脚
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//默认为50mhz
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//注意此函数调用的是结构体指针，所以使用此函数时需要传递地址
	//输出函数
	//GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//向PA0输出低电压，灯亮(默认是低电平)
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//反之
	//GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0, Bit_SET);
	//实现LED闪烁,新建System文件夹，相关配置之后，引入延时文件Delay
	
	while(1){
		//GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
		//Delay_ms(500);
		//GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
		//Delay_ms(500);
	}
}

LED流水灯

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	
	//GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0 |GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2 |GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4 |GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6 |GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_All;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
	
	
	while(1){
			/*使用GPIO_Write，同时设置GPIOA所有引脚的高低电平，实现LED流水灯,Write直接写入OCD寄存器中*/
		GPIO_Write(GPIOA, ~0x0001);	//0000 0000 0000 0001，PA0引脚为低电平，其他引脚均为高电平，注意数据有按位取反
		Delay_ms(100);				//延时100ms
		GPIO_Write(GPIOA, ~0x0002);	//0000 0000 0000 0010，PA1引脚为低电平，其他引脚均为高电平
		Delay_ms(100);				//延时100ms
		GPIO_Write(GPIOA, ~0x0004);	//0000 0000 0000 0100，PA2引脚为低电平，其他引脚均为高电平
		Delay_ms(100);				//延时100ms
		GPIO_Write(GPIOA, ~0x0008);	//0000 0000 0000 1000，PA3引脚为低电平，其他引脚均为高电平
		Delay_ms(100);				//延时100ms
		GPIO_Write(GPIOA, ~0x0010);	//0000 0000 0001 0000，PA4引脚为低电平，其他引脚均为高电平
		Delay_ms(100);				//延时100ms
		GPIO_Write(GPIOA, ~0x0020);	//0000 0000 0010 0000，PA5引脚为低电平，其他引脚均为高电平
		Delay_ms(100);				//延时100ms
		GPIO_Write(GPIOA, ~0x0040);	//0000 0000 0100 0000，PA6引脚为低电平，其他引脚均为高电平
		Delay_ms(100);				//延时100ms
		GPIO_Write(GPIOA, ~0x0080);	//0000 0000 1000 0000，PA7引脚为低电平，其他引脚均为高电平
		Delay_ms(100);				//延时100ms
	}
}

蜂鸣器

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	
	//GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0 |GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2 |GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4 |GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6 |GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_12;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
	while(1){
	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
	Delay_ms(100);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
	Delay_ms(100);
		GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
	Delay_ms(100);
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
	Delay_ms(700);
	}
}