STM32 GPIO【深度理解】

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开始GPIO进阶学习吧

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📖理论

对于输出电压，GPIO最大只能输出3.3V，因为系统供电是3.3V。

对于输入电压，STM32中部分引脚能够持续承受5V电压。数据手册中，标注FT的引脚就能够承受5V电压。

图 1：STM32引脚定义

图 2：GPIO结构图

保护二极管：当瞬间电压进入I/O引脚时，若此电压大于VDD(3.3V)，则上方的保护二极管导通。

当瞬间电压小于VSS(0V)，下方保护二极管导通。

若输入电压在0~3.3V之间，那么2个二极管均不会导通。

此结构只能抵御一瞬间的电压波动，长时间高电压接入I/O口依旧会损坏芯片。

上拉/下拉电阻输入 ：为悬空的输入引脚提供一个默认的稳定电平。

上拉 (P-UP) ：内部电阻将其连接到 VDD，使默认电平为高电平。

下拉 (P-DOWN) ：内部电阻将其连接到 VSS，使默认电平为低电平。

施密特触发器/TTL肖特基触发器：电压比较器，有效消除输入信号中的噪声和抖动。高于上限输出高，低于上限输出低。

输入数据寄存器-IDR Input Data Register：存储施密特触发器输出的电平值（0或1），CPU 通过读取IDR得知引脚电平。

输出数据寄存器-ODR Output Data Register)：存储引脚期望的输出电平，ODR 的值会直接控制P-MOS 和 N-MOS，CPU 读取 ODR👉 读取"期望的输出值"，而非"引脚的实际电平"。

位设置/清除寄存器-BSRR Bit Set/Reset Register：快速地设置或清除 ODR 中的某一位。

N-MOS和P-MOS：

在推挽模式下，STM32对IO口输出有绝对的控制权

输出数据寄存器为1，P-MOS激活，N-MOS断开，输出接入VDD，输出高电平；

输出数据寄存器为0，P-MOS断开，N-MOS激活，输出接入VSS，输出低电平；

在开漏模式下，P-MOS管失效，只有N-MOS管工作

输出数据寄存器为1，P-MOS无效，N-MOS关闭，GPIO引脚处于"高阻态"，输出电压由外部电路决定。

输出数据寄存器为0，P-MOS无效，N-MOS导通，输出接入VSS，输出低电平；

🔍"高阻态"：就是悬空，既不是高电平，也不是低电平，引脚上的电压未定义，易收到电磁信号的干扰。

图3: GPIO模式 (具体看STM32参考手册)

🚀实战

图 4：RCC 外设时钟使能函数

在STM32内部为了省电，所有外设（GPIO、USART、TIM...）默认是"关机"状态，即时钟被关闭。第一步永远是打开这个部门的电源（时钟）。

图 5：GPIO 配置与操作函数

💡补充

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)

GPIO_Init(GPIOA , &GPIO_InitStruct) 为什么第一个参数实际填写GPIOA而不是&GPIOA

在 stm32f10x.h 头文件中，有这样一行定义：#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) 0x40010800)

所以 GPIOA 本身已经是一个指针，它不是一个变量，而是一个宏定义，它代表的就是一个地址。

这些参数在stm32f10x_gpio.h头文件搜索

图 6：GPIO初始化结构体

图 7：GPIO模式

图 8：GPIO引脚宏定义

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin

GPIO_Pin是``GPIO_InitTypeDef结构体中被定义为uint16_t` (无符号16位整数)，是一个 16位 的"坑"。

C语言编译器默认把 0x0001 这样的数字当作 int (标准整数)。在STM32中int 是 32位 的。

问题 (类型不匹配)：16位 ≠ 32位

编译器会发出警告："你正把一个 32位的值塞进一个 16位的坑里，这不安全！"

解决方法 (强制类型转换)：(uint16_t)

(uint16_t) 是一个C语言语法，意思是"请把后面的数字强制当作16位处理"。

最终结果：16位 = 16位

赋值变成了 uint16_t = uint16_t，类型完美匹配，编译器不再警告。

图9：GPIO 寄存器地图 (GPIO_TypeDef)

✨STM32 寄存器地址与C语言

核心原理： STM32中每一个硬件寄存器 （ODR, IDR...）都对应一个固定的物理内存地址 。CPU 通过读写固定的物理内存地址来控制硬件（寄存器）。

基地址 (Base Address)：

每个外设（如 GPIOA）都有一个起始地址。

GPIOA 基地址 = 0x40010800

GPIOB 基地址 = 0x40010C00

GPIO_TypeDef 结构体：

它是一个C语言的 "地图" ，定义了 GPIOA 内部所有寄存器（CRL, CRH, IDR, ODR...）的排列顺序和偏移量。

偏移地址 (Offset)：

寄存器在"地图"上相对于基地址的位置。

因为寄存器大多是 uint32_t（4字节），所以偏移量是 0x00, 0x04, 0x08...

ODR 寄存器的偏移量 = 0x0C

绝对地址 (Absolute Address)：

绝对地址 = 基地址 + 偏移地址

举例 (GPIOA 的 ODR)： 0x40010800 (GPIOA 基地址) + 0x0C (ODR 偏移量) = 0x4001080C

C 代码翻译：

C 代码： GPIOA->ODR = 0x0001;

GPIOA 是一个指向基地址 0x40010800 的指针 👉 #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *)GPIOA_BASE)

->ODR是C语言语法，告诉编译器去 GPIO_TypeDef 结构体"地图"上查找 ODR 的偏移量（0x0C）。

编译器操作： 生成机器码，将 0x0001 这个值，写入到最终的绝对地址 0x4001080C。

✅个人理解：STM32 正是利用了 struct 结构体能自动处理偏移量的特性，来满足了访问硬件寄存器时"基地址 + 偏移地址"的需求。

c 复制代码

GPIOA->ODR = 0x0001;

GPIOA ：获取基地址 (0x40010800)。

>ODR：查找 ODR 成员对应的偏移地址 (0x0C)。

= 0x0001：将值 0x0001 写入到算出来的绝对地址 (0x40010800 + 0x0C = 0x4001080C) 中。

🎉代码

c 复制代码

int main(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); //等价于GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_4,Bit_RESET);
}

⚠️ 注意：如果把GPIO_Mode改成GPIO_Mode_Out_OD开漏模式：GPIO_Mode_Out_OD (开漏输出) 只能拉低，不能拉高。所以只能用于低电平驱动的LED（LED接VCC）。