STM32之MCU和GPIO

一、单片机MCU

1.1 单片机和嵌入式

嵌入式系统
以计算机为核心， tips ：计算机【处理单元，内存 + 硬盘】
可以控制的外部设备，传感器，电机，继电器
嵌入式开发 数据源 --> 处理器 (CPU MCU MPU) --> 执行器
计算机通过硬件连接和程序控制，让整个设备可以满足用户的需求，例如智 能手表，汽车驾驶辅 助，无人机，武器系统，智能家居。
单片机 --> MCU
MCU ( Microcontroller Unit ) 微型控制单元，主要包括
中央处理器，指令处理单元
ROM 硬盘 / 存储空间
RAM 运行内存
可以认为 MCU 是一个小型计算机系统。具备独立运行控制执行的作用。

1.2 ARM公司

ARM Holdings（ Advanced RISC Machines ）不生产芯片，仅提供芯片设计方案和芯片解决方案。
以下是 ARM 公司对外提供的芯片内核方案：
Cortex-A 内核 ，更新频率更快，性能最好，紧跟市场潮流！！！主要用于要求性能较高，能
耗支持较高的使用场景，利用手机 SOC/ 高通，小米，联发科，苹果。车机芯片， ARM 开发
板。后续驱动课程使用的芯片 RK3399 (dual-core Cortex-A72 and quad-core Cortex-A53)
RK3588 基于 Cortex-A 内核
Cortex-R 内核 常见场景有车辆 ECU ，要求响应速度较快常见
Cortex-M 内核 主要用于 MCU 微型处理器，目前主流的内核方案有 M0 M3 M4 M7, 常见
MCU STM32F1XX(M3 内核 ) STM32F4XX(M4 内核 ) STM32H7XX(M7 内核 )

1.3 常用的32芯片

国外芯片
- ST 系列：由 STM 意法半导体公司生产，常用型号有 STMF1、STMF4、STMH7、STMLXX、STMW 等。
- Ti 系列：美国德州仪器公司的产品，该公司是世界上最大的 DSP（数据信号处理）芯片提供商，例如 TM320F28335PGFA。
国内芯片
- GD 兆易创新：是目前国内 32 MCU 芯片领域的领头企业，内核采用 ARM 公司提供的 Cortex - M 系列，且完整兼容 STM32 芯片。
- 乐鑫科技：有 ESP32 芯片，以及 WiFi 芯片 ESP8266。
- 华大半导体。
- 沁恒微电子。
- 灵动微电子。
国产自研芯片 ：架构、内核、知识产权均为国内自主研发。
- 龙芯：主要面向服务器、PC 工业控制、武器装备、政府设施等领域的芯片解决方案。
- 海思：华为旗下的芯片公司。
- 国内车企（如吉利、蔚来、小鹏、长安等）都在自研芯片。
目前国内大多数公司都在转向国产芯片方案，这是为了芯片安全和信息安全。学习 STM32 的重点内容是【寄存器操作方式】和【32 标准库方式】开发。

1.4 STM32开发板概述

STM32 是意法半导体公司基于 ARMv7 Cortex - M 内核设计的 32 位 MCU 芯片。
F 表示通用型号，还有 L、H、W、G 相关系列。
103 表示增强型。
F1xx 表明当前内核为 Cortex - M3 内核。
ZET6 各部分含义：
- Z：表示引脚数为 144。
- E：表示闪存 Flash 为 512KB，属于大容量存储设备。
- T：表示封装标准为 LQFP 封装。
- 6：表示工作温度限制在 - 40℃~85℃。

二、 GPIO

2.1 GPIO概述

2.1 GPIO 概述

GPIO（General Purpose Input/Output）是 STM32 微控制器最基本、最常用的外设之一，用于与外部设备进行数字信号交互（如控制 LED、读取按键、驱动传感器等）。

咱们学习 Hi3861 中利用 GPIO 完成了 LED 控制，按键控制，传感器数据读取，蜂鸣器控制，利用 GPIO 模版 PWM 控制舵机。

GPIO 的控制核心逻辑

输入输出控制
高低电平控制
在当前 STM32F103ZET6 中一共有
7 组 GPIO 分别对应 GPIOA～GPIOG 分组。
同时每一个 GPIO 分组对应 16 个对外引脚，流入 GPIOA00～GPIOA15 ==>PA0～PA15
STM32F103ZET6 对外可以提供可编程 GPIO 引脚一共是 16 * 7 ==> 112 引脚

2.2 STM32F103ZET6 原理图简单分析

原理图是开发中重要的参考依据，通过原理图分析当前 MCU 芯片引脚对应的功能模块，已经控制方式分析。以 LED 灯为例分析，当前开发板中 DS0 丝印位号对应的 LED 灯在原理图中，对应的引脚为 LED0。

2.3 GPIO STM32模式

在 STM32 开发中，操作 GPIO 需要确定的内容有：

那一组 GPIO，例如 GPIOB。
操作的 GPIO 是当前组内第几个 Pin 引脚，对应引脚为 5 引脚 ==> GPIOB5 ==> PB5。
设置 GPIO 的工作模式。

2.3.1. 浮空输入模式（ Floating Input ）
原理：在这种模式下， GPIO 引脚没有接上拉电阻或下拉电阻，其电平状态完全取决于外部电路。引脚处于高阻抗状态，输入电流几乎为零。
应用场景 ：适用于外部信号已经有明确的驱动能力和电平状态的情况，比如连接按键，按键
按下时直接将引脚接地，松开时引脚浮空，通过读取引脚电平判断按键状态。
2.3.2. 上拉输入模式（ Pull - up Inpu ）
原理： GPIO 引脚内部连接了上拉电阻，当外部电路没有对引脚进行驱动时，引脚电平被上拉到高电平。如果外部电路将引脚拉低，那么引脚电平就为低电平。
应用场景 ：常用于按键输入，当按键未按下时，引脚通过上拉电阻保持高电平；按键按下
时，引脚接地变为低电平，避免了引脚浮空可能带来的电平不稳定问题。
2.3.3. 下拉输入模式（ Pull - down Input ）
原理：与上拉输入模式相反， GPIO 引脚内部连接了下拉电阻，当外部电路没有对引脚进行驱动时，引脚电平被下拉到低电平。如果外部电路将引脚拉高，那么引脚电平就为高电平。
应用场景 ：同样适用于按键输入等场景，当按键未按下时，引脚通过下拉电阻保持低电平；
按键按下时，引脚接高电平。
2.3.4. 模拟输入模式（ Analog Input ）
原理：该模式下， GPIO 引脚用于模拟信号的输入，内部的数字逻辑电路被断开，引脚直接连接到模拟信号处理模块，如 ADC （模拟 - 数字转换器）。
应用场景 ：用于采集模拟信号，如温度传感器、压力传感器等输出的模拟电压信号，通过
ADC 将模拟信号转换为数字信号进行处理。
2.3.5. 开漏输出模式（ Open - Drain Output ）
原理：在开漏输出模式下， GPIO 引脚内部的输出级只有 N 沟道 MOS 管，当输出为低电平
时， MOS 管导通，引脚接地；当输出为高电平时， MOS 管截止，引脚处于高阻态，需要外
部接上拉电阻才能输出高电平。
应用场景 ：常用于实现 线与功能 、 I2C 总线等通信协议，多个开漏输出引脚可以连接在一
起，只要有一个引脚输出低电平，总线就为低电平。
2.3.6. 推挽输出模式（ Push - Pull Output ）
原理：推挽输出模式下， GPIO 引脚内部的输出级由 P 沟道 MOS 管和 N 沟道 MOS 管组成。当输出为高电平时，P 沟道 MOS 管导通，引脚输出高电平；当输出为低电平时， N 沟道 MOS 管导通，引脚输出低电平。
应用场景 ：适用于直接驱动一些负载，如 LED 灯，能够提供较强的驱动能力。
2.3.7. 复用开漏输出模式（ Alternate Function Open - Drain Output ）
原理：该模式下， GPIO 引脚的功能由片上外设控制，输出级采用开漏输出结构。与普通开漏输出模式类似，需要外部接上拉电阻才能输出高电平。
应用场景 ：常用于一些通信协议和外设接口，如 SPI 总线的某些引脚、 I2C 总线等，将 GPIO 引脚复用为外设的特定功能。
2.3.8. 复用推挽输出模式（ Alternate Function Push - Pull Output ）
原理：此模式下， GPIO 引脚的功能由片上外设控制，输出级采用推挽输出结构，能够直接输出高电平和低电平。
应用场景 ：常用于一些需要较强驱动能力的外设接口，如 UART 通信的发送引脚、 PWM 信
号输出 等。

2.4 LED开发流程

2.4.1 LED灯电路分析

2.4.2 LED STM32开发流程

1.【使能】时钟。
2.GPIO PB5 PE5 设置【推挽输出模式（ Push - Pull Output ）】
3. 利用寄存器控制 PB5 PE5 引脚电平模式

2.4.3【时钟】小重点

时钟可以认为是当前 MCU 的处理能力，运算能力。
STM32F103ZET6 对应的最高主频 72MHz ，当前 MCU 1 秒中可以处理 72M 任务单元。每一个任 务单元对应的时间为 13.88 ns 。
在 MCU 执行过程中，如果没有打开对应的外设时钟，对应外设不会在整个的 MCU 执行周期内容工作，可以认为是没有开启任务模块。
MCU 为了管理不同的外设，提供时【钟树管】理不同的模块。

2.4.4 LED对应GPIO组时钟使能

【寄存器开发模式】
利用 STM32 时钟寄存器，开启对应 APB2 中的 GPIOB 和 GPIOE 两个 GPIO 组时钟使能。 MCU 才可以在执行周期中，运行 GPIOB 和 GPIOE 内容。
对应文档中的内容是 RCC (Reset & Clock Control) 复位和时钟控制。

2.4.5 LED对应GPIO引脚配置

使能之后，需要对引脚进行选择。 STM32 中的 GPIO 配置寄存器对应有两个寄存器
GPIOx_CRL 低位寄存器 --> GPIO 组 0 ~ 7 Pin
GPIOx_CRH 高位寄存器 --> GPIO 组 8 ~ 15 Pin
当前操作的引脚是 PB5 和 PE5 对应 GPIOx_CRL 低位配置寄存器。
在 GPIOx_CRL GPIOx_CRH 每 4 个二进制为对应一个 GPIO 引脚
CNFx (x ==> 0~15) 配置当前 GPIO

总结效果

输出模式 CNF + MODE 寄存器位置效果，速度都使用 50MHz 作为基准
- 0011 推挽输出模式
- 0111 开漏输出模式
- 1011 复用推挽输出模式
- 1111 复用开漏输出模式
输入模式 CNF + MODE 寄存器位置效果
- 0000 模拟输入
- 0100 浮空输入
- 1000 上拉 / 下拉输入，需要后续配置 IDR 参数

2.4.6引脚输出高低电平配置

利用 GPIOx_ODR 寄存器配置当前指定引脚的输出高电平和低电平状态

2.4.7代码实现

cpp 复制代码

#include "stm32f10x.h"
/*
STM32 核心头文件，标准头文件，当前对应 STM32F10x 系列，
当前使用的芯片是 STM32F103ZET6
开发中，需要使用相关函数，相关类型，相关配置都在当前
头文件中。
*/
void Led_Delay(u32 tim);
int main(void)
{
    /*
    1. 时钟使用，RCC 配置当前 GPIOB 和 GPIOE 两个 GPIO 组使能。
    RCC ==> Reset & Clock Control
    APB2ENR 当前 APB2 Bridge 对应寄存器配置，当前 APB2ENR
    包括 【GPIOA ~ GPIOG】 ADC1,2,3 TIM1 TIM8 USART1 SPI1
    根据寄存器文档分析，目标当前寄存器中的数据效果为
    【高 16 位不考虑，对应保留位】
    0000 0000 0100 1000
    0x01 ==> 0000 0001
    0x01 << 6 ==> 0100 0000  (GPIOE使能位)
    0x01 << 3 ==> 0000 1000  (GPIOB使能位)
    0x01 << 6 | 0x01 << 3  = 0100 1000
    */
    RCC->APB2ENR |= 0x01 << 6; // GPIOE 组使能
    RCC->APB2ENR |= 0x01 << 3; // GPIOB 组使能
    
    /*
    2. 配置 GPIOB --> PB5 和 GPIOE --> PE5 对应工作模式
    为【推挽输出模式】。二进制为效果为 0011 (CNF=00, MODE=11)
    需要配置 GPIOx_CRL 位 23:20 对应 CNF5 和 MODE5 因为
    GPIOx_CRL 默认值是 0x44444444 存在基础数据
    */
    
    /*
    2.1 对 GPIOx_CRL 位 23:20 默认数据进行擦除。
    0x0F ==> 0000 1111
    0x0F << 20 ==> 对应位23-20
    ~(0x0F << 20) ==> 清除掩码
    */
    GPIOB->CRL &= ~(0x0F << 20);
    GPIOE->CRL &= ~(0x0F << 20);
    
    /*
    2.2 对 GPIOx_CRL 位 23:20 进行数据赋值 0011
    推挽输出模式配置: CNF=00, MODE=11 (50MHz)
    */
    GPIOB->CRL |= 0x03 << 20;
    GPIOE->CRL |= 0x03 << 20;
    
    /*
    3. 控制高低电平，从而控制 LED 亮和灭
    MCU 引脚输出高电平 LED 灯灭
    MCU 引脚输出低电平 LED 灯亮
    GPIOx_ODR 控制位 5 对应 PB5 和 PE5 两个引脚
    对应 ODR 位 5 数据为 1 高电平，0 低电平
    */
    while (1)
    {
        GPIOB->ODR &= ~(0x01 << 5); // PB5 低电平 LED0 灯亮
        GPIOE->ODR |= (0x01 << 5);  // PE5 高电平 LED1 灯灭
        Led_Delay(200000);
        
        GPIOB->ODR |= (0x01 << 5);  // PB5 高电平 LED0 灯灭
        GPIOE->ODR &= ~(0x01 << 5); // PE5 低电平 LED1 灯亮
        Led_Delay(200000);
    }
}

// 延时函数
void Led_Delay(u32 tim)
{
    while (tim--)
    {
        for (int i = 0; i < 72; i++)
        {
            // 空循环，用于延时调整
        }
    }
}

2.4.8代码编译和烧录

https://github.com/0voice