STM32笔记归纳2：GPIO

GPIO

一、GPIO的四种输出模式

1.1.GPIO的概念

1.2.GPIO的编组

一、GPIO的四种输出模式

1.1.GPIO的概念

**GPIO：**通用输入输出端口

**注：**G：general P：purpose I：input O：output

STM32芯片内置的片上外设模块

**功能：**类似于人类的手，控制单片机上的IO引脚

1.2.GPIO的编组

STM32芯片包含四组GPIO模块：

GPIOA，GPIOB，GPIOC，GPIOD

每组GPIO模块包含特定的引脚：

GPIOA：PA0 PA1 PA2 ... PA15（16个）
GPIOB：PB0 PB1 PB2 ... PB15（16个）
GPIOC：PC13 PC14 PC15（3个）
GPIOD：PD0 PD1（2个）

每组GPIO模块像人的一只手

每个GPIO引脚就是人的手指

1.3.GPIO的工作模式

GPIO的工作模式配置了IO引脚的功能

单个IO引脚需要实现多种功能：

输出高/低电平
输入外部信号
其他特殊功能

因此每个IO引脚都需要配置多种功能

所以GPIO定义了8种不同的工作模式

可分为4种输出 和4种输入两大类模式

1.3.1.输出模式

信号从【芯片内部】通过IO引脚流向【芯片外部】

**使用示例：**用输出模式控制Led亮灭：

在IO引脚上接一颗Led（发光二极管）

如果输出高电平：Led点亮
如果输出低电平：Led熄灭

通过编程向芯片内部的输出数据寄存器写入数据

写入1：引脚输出高电平，Led点亮
写入0：引脚输出低电平，Led熄灭

1.3.2.输入模式

信号从【芯片外部】通过IO引脚流向【芯片内部】

**使用示例：**通过输入模式判断开关闭合

在IO引脚上接一个开关

如果开关闭合：向引脚输入高电平，输入数据寄存器值为1
如果开关断开：向引脚输入低电平，输入数据寄存器值为0

通过编程从芯片内部的输入数据寄存器读取数据

读取1：当前开关闭合
读取0：当前开关断开

1.4.四种输出模式

1.4.1.四种输出模式命名

通用输出推挽通用输出开漏

复用输出推挽复用输出开漏

1.4.2.IO端口位电路图

因为在STM32中一共有32个IO引脚，像这样的电路在芯片中一共有32个

上方为输入模式电路，下方为输出模式电路

1.4.3.输出模式的电路图

1.4.4.推挽模式

**推状态（PUSH）：**从里向外推电流

由P-MOS管实现：
P-MOS管接Vdd（3.3V正电压）
导通P-MOS管，断开N-MOS管
IO引脚与Vdd导通，输出高电平（3.3V）
电流从内部向外推送

**挽状态（PULL）：**从外向里拉电流

挽与N-MOS管有关：
N-MOS管接Vss（0V负电压）
导通N-MOS管，断开P-MOS管
IO引脚与Vss短路，输出低电平（0V）
电流从外部向内拉取

注：

P-MOS管和N-MOS管只能交替导通，不能同时导通，

高电压（Vdd）与低电压（Vss）直接相连会发生短路

1.4.5.开漏模式

**开漏：**MOS管的漏极保持断开状态

在输出模式下，开漏表示P-MOS管一直处于断开状态

**写入0时：**N-MOS管导通，P-MOS管断开，输出低电平

**写入1时：**N-MOS管断开，P-MOS管断开，呈悬空状态

**注：**此时引脚电流趋于0，根据欧姆定律，电阻为无穷大，所以又称高阻态

1.4.6.通用模式

CPU直接向输出数据寄存器写入数据来控制GPIO引脚

**使用示例：**CPU直接控制PA9引脚实现Led亮灭

CPU直接向输出数据寄存器写入数据

**写1：**PA9输出高电平

**写0：**PA9输出低电平

1.4.7.复用模式

片上外设通过GPIO模块控制IO引脚的电平输出

**使用示例：**串口模块控制PA9引脚发送"Hello"数据

CPU向串口模块发送"Hello"数据

串口模块控制PA9引脚输出高低电平变换的波形，从而输出数据

通用 VS 复用：

二、IO的最大输出速度

2.1.IO最大输出速度

**定义：**向IO交替写0和1且输出不失真的最快速度

示例： 假定引脚的模式为推挽模式：

输出1时：P-MOS管导通，引脚为高电平
输出0时：N-MOS管导通，引脚为低电平

两个MOS管快速交替导通时，就会形成下面的波形：

每秒钟写10次，每秒中写100次时这个波形都为正常的

当速度加快到每秒钟写100000次后，波形就开始失真

此时能维持正常输出的最高频率即为IO最大输出速度

2.2.上升、下降、保持时间

理想情况：

**向IO引脚写1：**IO引脚电压立即从低电平（0V）跃升至高电平（3.3V）

**向IO引脚写0：**IO引脚电压立即从高电平（3.3V）下降至低电平（0V）

实际情况：

**上升时间：**0V~3.3V的过渡时间

**保持时间：**稳定在3.3V持续时间（输出有效电平的时间）

**下降时间：**3.3V~0V的过渡时间

2.3.限制最大输出速度的原因

随着IO输出速度的提升，上升沿与下降沿之间的间隔缩短

导致有效电平的持续时间减少，即保持时间变短

若数据写入数据速度超过IO引脚的最大输出速度，将无法正确输出电平

通过缩短上升时间 与下降时间，就可以提高IO最大输出速度

2.4.最大输出速度的选取

STM32芯片提供了三种最大速度：

低速：

上升时间：125ns
保持时间：250ns
下降时间：125ns
总时间：500ns
最大输出速度：2MHz

中速：

上升时间：25ns
保持时间：50ns
下降时间：25ns
总时间：100ns
最大输出速度：10MHz

高速：

上升时间：5ns
保持时间：10ns
下降时间：5ns
总时间：20ns
最大输出速度：50MHz

**选取原则：**选取满足要求的最小值

**注：**如果选择过高的输出速率会增加耗电，还会对其他的电子元器件产生干扰（EMI）

**示例1：**单片机驱动Led

Led的闪烁频率不超过100Hz，所以选择低速（2MHz）来驱动

注：

人眼的临界闪烁频率是45.8Hz，交流电的频率是50Hz

所以当使用50Hz的交流电点亮一盏灯时感受不到闪烁

**示例2：**单片机驱动TLE5012BD芯片（巨磁阻效应编码器）

TLE5012BD芯片使用SPI总线与单片机通信

SPI总线通信的波特率为8Mbit/s(MHz)，所以选择中速（10MHz）来驱动

**示例3：**USB2.0全速接口

USB2.0 Fs通信的最大波特率为12Mbps(MHz)，所以选择高速（50MHz）来驱动

三、LED闪灯实验

**实验内容：**通过编程控制PC13引脚连接的Led灯实现闪烁功能

3.1.如何点亮一盏Led

原理：

在二极管的阳极供正电压，阴极供负电压，这样就会有电流流过二极管

当流过二极管的电流足够大时，二极管就会被点亮，电流范围为2~10mA

用以下电路实现Led的点亮：

阳极接Vdd（3.3V），阴极接Vss（0V），Vdd与Vss间串联一个510Ω的限流电阻

二极管导通时压降为0.7V，所以电流为(3.3-0.7)/510 ≈ 5mA，二极管可以正常发光

推挽接法：

如果把Vdd改为地，阳极为0V，阴极也为0V，就不会有电流流过，二极管就会熄灭

所以我们在Vdd与Led之前设置一个开关，上拨接Vdd，下拨接地，实现二极管闪烁

这种拨动开关控制接Vdd或接Vss的方式与推挽输出类似

所以可以将限流电左边的电路替换成单片机上的IO引脚

并且把IO引脚的输出模式设置为推挽模式：

开漏接法：

如果将开关设置在二极管与Vss之间

开关接上为通路Led点亮，开关断开为开路Led熄灭

这种拨动开关控制接Vss或开路的方式与开漏输出类似

所以可以将Led右边的电路替换成单片机上的IO引脚

并且把IO引脚的输出模式设置为开漏模式：

3.2.最小系统板的Led接法

最小系统板上分别设置了两个Led

一个连接GND：

一个连接PC13引脚：

因为Led的阳极只接上了3.3V的高电平

所以最小系统板的Led接法为开漏接法：

3.3.编码部分

3.3.1.开启GPIOx的时钟

cpp 复制代码

/*开启GPIOC的时钟*/
RCC_APB2PriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOx,ENABLE);

解析：

参数1：设置的GPIO组别
参数2：使能

**注：**要控制板载LED，需通过GPIOC组的PC13引脚进行操作，所以在使用GPIOC之前，要为它开启时钟，时钟可以类比为人的心跳，开启时钟相当于给人身体里的器官供血

3.3.2.GPIO模块编程接口

3.3.2.1.编程接口1

cpp 复制代码

void GPIO_Init(GPIOTypeDef * GPIOx, GPIO_InitTypeDef * GPIO_InistStruct);

解析：

参数1：端口号，取A，B，C，D
参数2：初始化的参数结构体地址

**注：**init（Initialize）：初始化

作用： 初始化IO引脚，配置IO引脚的各种参数

引脚的工作模式
引脚的最大输出速度

**补充：**GPIO_InitTypeDef结构（IO参数菜单）

cpp 复制代码

typedef struct GPIO_InitTypeDef
{
	GPIO_Pin;
	GPIO_Speed;
	GPIO_Mode;
}GPIO_InitTypeDef;

分析：

**1.GPIO_Pin：**引脚编

GPIO_Pin_0 ...... GPIO_Pin_15

**2.GPIO_Speed：**最大输出速度

GPIO_Speed_2MHz
GPIO_Speed_10MHz
GPIO_Speed_50MHz

**3.GPIO_Mode：**模式

GPIO_Mode_Out_PP：通用输出推挽 PP = Push Pull
GPIO_Mode_Out_OD：通用输出开漏 OD = Open Drain
GPIO_Mode_AF_PP：复用输出推挽 AF = Alternate Function
GPIO_Mode_AF_OD：复用输出开漏
GPIO_Mode_IPU：输入上拉 IPU = Input Pull-up
GPIO_Mode_IPD：输入下拉 IPD = Input Pull-down
GPIO_Mode_IN_FLOATING：输入浮空
GPIO_Mode_AIN：模拟模式 AIN = Analog Input

**注：**此结构的每个成员变量都为枚举变量

3.3.2.2.编程接口2

cpp 复制代码

void GPIO_WriteBit(GPIOTypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitValue);

解析：

参数1：端口号，取A，B，C，D
参数2：引脚编号
参数3：要写入的值 Bit_RESET（写0） Bit_SET（写1）

**作用：**向输出数据寄存器写1个比特位

**示例：**假设IO引脚为通用输出推挽模式，通过调用GPIO_WriteBit向输出数据寄存器写0或1

写入0时：N-MOS管闭合，P-MOS管断开，输出低电平
写入1时：P-MOS管闭合，N-MOS管断开，输出高电平

3.3.2.3.编程接口3

cpp 复制代码

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIOTypeDef * GPIOx,uint16_t GPIO_Pin);

解析：

参数1：端口号，取A，B，C，D
参数2：引脚编号
返回值：Bit_SET（表示1）Bit_RESET（表示0）

**作用：**从输入数据寄存器读1个比特位

3.3.2.4.编程接口4

cpp 复制代码

uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOTypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

解析：

参数1：端口号，取A，B，C，D
参数2：引脚编号
返回值：Bit_SET（表示1）Bit_RESET（表示0）

**作用：**从输出数据寄存器读1个比特位

**注：**读的是最近一次使用GPIO_WriteBit向输出数据寄存器写入的值

3.3.3.初始化IO引脚

cpp 复制代码

/*初始化GPIO_InitTypeDef结构体*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

/*给GPIO_InitTypeDef结构体成员赋值*/
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

/*调用GPIO_Init函数*/
GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStruct);

解析：

1.初始化GPIO_InitTypeDef结构体

2.给GPIO_InitTypeDef结构体成员赋值：

IO引脚编号设置为13
IO引脚最大输出速度为2MHz
IO引脚模式设置为通用输出开漏模式

3.调用GPIO_Init函数：

参数1：端口号GPIOC
参数2：GPIO_InitTypeDef结构体的地址

3.3.4.写入数据，点亮Led

cpp 复制代码

/*向输入数据寄存器中写1*/
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_SET);
/*向输入数据寄存器中写0*/
GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_RESET);

解析：

调用GPIO_WriteBit函数：

参数1：端口号CPIOC
参数2：引脚编号设置为13
参数3：写入1，或写入0

**注：**写入1后Led熄灭，写入0后Led点亮

3.3.5.设计Led闪烁

cpp 复制代码

#include <delay.h>

while(1)
{
	/*写1点亮Led*/
	GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_SET);
		
	/*延迟100ms*/
	Delay(100);
		
	/*写0熄灭Led*/
	GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_RESET);
		
	/*延迟100ms*/
	Delay(100);
}

解析：

使用delay延迟函数，使用while循环

写入1时，点亮Led，延迟100ms
写入0时，熄灭Led，延迟100ms

**注：**调用delay函数需包含头文件<delay.h>

四、GPIO的4种输入模式

4.1.四种输入模式命名

输入上拉输入下拉

输入浮空模拟模式

4.2.输入模式的电路图

4.2.1.保护二极管

作用： 由于人体含有静电，静电的电压一般高达几千伏，如果用手直接触碰IO引脚，高电压进入单片机内部，会把芯片烧坏，所以要设计保护电路来防静电

示例：

假设手指产生+10000V静电，Vdd电压为3.3V，此时上方保护二极管导通，电流从Vdd流出

假设手指产生-10000V静电，Vss电压为0V，此时下方保护二极管导通，电流从引脚口流出

4.2.2.上拉电阻

闭合上拉电阻开关，将输入模式设置为输入上拉

**作用：**给IO引脚提供一个默认的高电压，起到稳定作用

4.2.3.下拉电阻

闭合下拉电阻开关，将输入模式设置为输入下拉

**作用：**给IO引脚提供一个默认的低电压，起到稳定作用

注：

当给IO引脚输入3.3V的高电压时，输入数据寄存器当前数据为1

当给IO引脚输入0V的低电压时，输入数据寄存器当前数据为0

当IO引脚没有电压输入时，处于悬空状态，相当于一根天线，接收空间高低变换的电磁波

导致转换结果不能确定，若不闭合上拉电阻与下拉电阻，输入模式就为输入浮空

但闭合上拉电阻或闭合下拉电阻就可以解决这个问题

**补充：**上拉电阻的工作原理

只闭合上拉电阻开关，不处于悬空状态时，上拉电阻对电路没有影响

处于悬空状态时，施密特触发器的电阻值为无穷大，而上拉电阻值是

常数，根据分压原理，施密特触发器分得的电压为3.3V，转换为数字1

输入数据寄存器可以稳定地读取到1

4.2.4.施密特触发器

**作用：**用于将IO引脚输入的高低电平转换为数字信号0或1

**注：**由于输入电流始终为0，根据欧姆定律，可以等效为一个无穷大的电阻

五、按钮实验

**实验内容：**按下按钮，Led点亮；松开按钮，Led熄灭

5.1.Led的接线方法

5.1.1.接线设计

采用通用推挽模式，接在芯片的PA0引脚上

写入1时：Led点亮
写入0时：Led熄灭

5.1.2.接线安装

Led阳极接限流电阻，然后接在PA0引脚上

Led阴极直接接在最小系统板的GND引脚

**注：**Led较长的一根针为阳极，较短的一根针为阴极

5.1.3.测试代码

cpp 复制代码

/*开启GPIOA的时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

/*初始化IO引脚，PA0 通用输出推挽模式 2MHz*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
	
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
	
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);

/*向输入数据寄存器写1*/
GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET);

5.2.按钮的接线方法

5.2.1.接线设计

采用输入上拉模式，接在芯片的PA1引脚上

按钮松开：PA1处于悬空状态，上拉电阻将电压拉高为3.3V，输入值为1
按钮按下：PA1接GND，施密特触发器前的电压为0V，所以输入值为0

5.2.2.接线安装

将按钮安装在PA1引脚与GND之间

5.2.3.测试代码

cpp 复制代码

/*开启GPIOA的时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

/*初始化IO引脚，PA1 输入上拉模式*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;

GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);

5.3.编程接口和代码

cpp 复制代码

#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
	/*开启GPIOA的时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	/*初始化IO引脚，PA0 通用输出推挽模式 2MHz*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
	
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	/*初始化IO引脚，PA1 输入上拉模式*/
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	
	while(1)
	{
		if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1) == Bit_RESET)
		{
			GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET);
		}
		else
		{
			GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_RESET);
		}
	}
}

解析：

按钮按下，输入寄存器数据为0，编程接口4返回Bit_RESET，向输出寄存器写1，点亮Led
按钮松开，输入寄存器数据为1，编程接口4返回Bit_SET，向输出寄存器写0，熄灭Led