第五章 GPIO示例-电子发烧友网

单芯片解决方案，开启全新体验——W55MH32 高性能以太网单片机

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太网单片机，它为用户带来前所未有的集成化体验。这颗芯片将强大的组件集于一身，具体来说，一颗W55MH32内置高性能Arm® Cortex-M3核心，其主频最高可达216MHz；配备1024KB FLASH与96KB SRAM，满足存储与数据处理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP协议栈、内置MAC以及PHY，拥有独立的32KB以太网收发缓存，可供8个独立硬件socket使用。如此配置，真正实现了All-in-One解决方案，为开发者提供极大便利。

在封装规格上，W55MH32 提供了两种选择：QFN68和QFN100。

W55MH32Q采用QFN68封装版本，尺寸为8x8mm，它拥有36个GPIO、3个ADC、12通道DMA、17个定时器、2个I2C、3个串口、2个SPI接口（其中1个带I2S接口复用）、1个CAN以及1个USB2.0。在保持与同系列其他版本一致的核心性能基础上，仅减少了部分GPIO以及SDIO接口，其他参数保持一致，性价比优势显著，尤其适合网关模组等对空间布局要求较高的场景。紧凑的尺寸和精简化外设配置，使其能够在有限空间内实现高效的网络连接与数据交互，成为物联网网关、边缘计算节点等紧凑型设备的理想选择。同系列还有QFN100封装的W55MH32L版本，该版本拥有更丰富的外设资源，适用于需要多接口扩展的复杂工控场景，软件使用方法一致。更多信息和资料请进入http://www.w5500.com/网站或者私信获取。

此外，本W55MH32支持硬件加密算法单元，WIZnet还推出TOE+SSL应用，涵盖TCP SSL、HTTP SSL以及MQTT SSL等，为网络通信安全再添保障。

为助力开发者快速上手与深入开发，基于W55MH32Q这颗芯片，WIZnet精心打造了配套开发板。开发板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口数据线，就能轻松实现调试、下载以及串口打印日志等功能。开发板将所有外设全部引出，拓展功能也大幅提升，便于开发者全面评估芯片性能。

若您想获取芯片和开发板的更多详细信息，包括产品特性、技术参数以及价格等，欢迎访问官方网页：http://www.w5500.com/，我们期待与您共同探索W55MH32的无限可能。

第五章 GPIO示例

功夫不负有心人，相信学习至此大家已经掌握了基础内容介绍的知识。我们希望通过前面的章节你已经掌握了W55MH32开发的工具和方法。下面我们将和大家一起来学习W55MH32 的一些基础外设，这些外设实际项目中经常会用到，希望大家认真学习和掌握，以便将来更好、更快的完成实际项目开发。

后面我们将采取一章一实例的方式，介绍 W55MH32 常用外设的使用，通过本篇的学习，我们将带领大家进入W55MH32 的精彩世界。

本章将通过一个经典的跑马灯程序，带大家开启 W55MH32之旅。通过本章的学习，我们将了解到 W55MH32的 IO 口作为输出使用的方法。

本章分为如下 4 个小节：

1 W55MH32 GPIO 简介

2 寄存器描述

3 程序设计

4 下载验证

1 W55MH32 GPIO 简介

每个 GPI/O 端口有两个 32 位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个 32 位数据寄存器(GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR)，一个 32 位置位/复位寄存(GPIOx_BSRR)，一个 16 位复位寄存器GPIOx_BRR)和一个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。根据数据手册中列出的每个 I/O 端口的特定硬件特征，GPIO 端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。

-------- 输入浮空

-------- 输入上拉

-------- 输入下拉

-------- 模拟输入

-------- 开漏输出

-------- 推挽式输出

-------- 推挽式复用功能

-------- 开漏复用功能

每个 I/O 端口位可以自由编程，然而必须按照 32 位字访问 I/O 端口寄存器(不允许半字或字节访问)。GPIOx_BSRR 和 GPIOx_BRR 寄存器允许对任何 GPIO 寄存器进行读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生 IRQ 时不会发生危险。

下图给出了一个 I/O 端口位的基本结构。

GPIO 的基本结构图

如上图所示，可以看到右边只有 I/O 引脚，这个 I/O 引脚就是我们可以看到的芯片实物的引脚，其他部分都是 GPIO 的内部结构。

① 保护二极管

保护二极管共有两个，用于保护引脚外部过高或过低的电压输入。当引脚输入电压高于VDD 时，上面的二极管导通，当引脚输入电压低于 VSS 时，下面的二极管导通，从而使输入芯片内部的电压处于比较稳定的值。虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大电流的接入很容易烧坏芯片。所以在实际的设计中我们要考虑设计引脚的保护电路。

② 上拉、下拉电阻

它们阻值大概在 30~50K 欧之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄存器控制。当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电平由引脚内部上、下拉决定，开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高，开启内部下拉电阻工作，则引脚电平为低。同样，如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是我们所说的浮空模式。浮空模式下，引脚的电平是不可确定的。引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。需要注意的是，W55MH32 的内部上拉是一种“弱上拉”，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是得外部上拉。

③ 施密特触发器

对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位，对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。下面看看比较器跟施密特触发器的作用的比较，就清楚的知道施密特触发器对外部输入信号具有一定抗干扰能力，如图所示。

比较器的（A）和施密特触发器（B）作用比较

④ P-MOS 管和 N-MOS 管

这个结构控制 GPIO 的开漏输出和推挽输出两种模式。开漏输出：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。推挽输出：这两只对称的 MOS 管每次只有一只导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。推拉式输出既能提高电路的负载能力，又能提高开关速度。上面我们对 GPIO 的基本结构图中的关键器件做了介绍，下面分别介绍 GPIO 八种工作模式对应结构图的工作情况。

1、输入浮空

输入浮空模式：上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器打开，输出被禁止。输入浮空模式下，IO 口的电平完全是由外部电路决定。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。该模式可以用于按键检测等情景。

输入浮空模式

2、输入上拉

输入上拉模式：上拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。

输入上拉模式

3、输入下拉

输入下拉模式：下拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部下拉电阻的时候，可以使用内部下拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较大，所以不适合做电流型驱动。

输入下拉模式

4、模拟功能

模拟功能：上下拉电阻断开，施密特触发器关闭，双 MOS 管也关闭。其他外设可以通过模拟通道输入输出。该模式下需要用到芯片内部的模拟电路单元单元，用于 ADC、DAC、MCO 这类操作模拟信号的外设。

模拟功能

5、开漏输出

开漏输出模式：W55MH32 的开漏输出模式是数字电路输出的一种，从结果上看它只能输出低电平 Vss 或者高阻态，常用于 IIC 通讯（IIC_SDA）或其它需要进行电平转换的场景。

开漏输出模式

6、推挽输出

推挽输出模式：W55MH32的推挽输出模式，从结果上看它会输出低电平 VSS或者高电平VDD推挽输出跟开漏输出不同的是，推挽输出模式 P-MOS 管和 N-MOS 管都用上。

如果输出数据寄存器①的值为 0，经过“输出控制”取反操作后，输出逻辑 1 到 P-MOS 管的栅极，这时 P-MOS 管就会截止，同时也会输出逻辑 1 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会导通，使得 IO 引脚接到 VSS,即输出低电平。如果输出数据寄存器的值为 1 ，经过“输出控制”取反操作后，输出逻辑 0 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会截止，同时也会输出逻辑 0 到 P-MOS 管的栅极，这时 P-MOS 管就会导通，使得 IO 引脚接到 VDD,即输出高电平。

由上述可知，推挽输出模式下，P-MOS 管和 N-MOS 管同一时间只能有一个管是导通的。当 IO 引脚在做高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有较大的提高。

另外在推挽输出模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO 口的电平状态。由于推挽输出模式下输出高电平时，是直接连接VDD,所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达 25mA，但是芯片的总电流有限，所以并不建议这样用，最好还是使用芯片外部的电源。

推挽输出模式

7、开漏式复用功能

开漏式复用功能：一个 IO 口可以是通用的 IO 口功能，还可以是其它外设的特殊功能引脚，这就是 IO 口的复用功能，如图所示。一个 IO 口可以是多个外设的功能引脚，我们需要选择其中一个外设的功能引脚。当选择复用功能时，引脚的状态是由对应的外设控制，而不是输出数据寄存器。除了复用功能外，其它的结构分析请参考开漏输出模式。

另外在开漏式复用功能模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以通过输入数据寄存器读取 IO 口的电平状态，同时外设也可以读取 IO 口的信息。

开漏式复用功能

8、推挽式复用功能

推挽式复用功能：复用功能介绍请查看开漏式复用功能，结构分析请参考推挽输出模式，这里不再赘述。

推挽式复用功能

2 GPIO 寄存器描述

2.1 端口配置低寄存器(GPIOx_CRL)(x=A..G)

2.2 端口配置高寄存器(GPIOx_CRH)(x=A..G)

2.3 端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)(x=A..G)

2.4 端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR)(x=A..G)

2.5 端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)(x=A..G)

2.6 端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)(x=A..G)

2.7 端口配置锁定寄存器(GPIOx_LCKR)(x=A..G)

当执行正确的写序列设置了位 16(LCKK)时，该寄存器用来锁定端口位的配置。位[15:0]用于锁定GPIO 端口的配置。在规定的写入操作期间，不能改变 LCKP[15:0]。当对相应的端口位执行了LOCK 序列后，在下次系统复位之前将不能再更改端口位的配置。

每个锁定位锁定控制寄存器(CRL,CRH)中相应的 4 个位。

3 程序设计

3.1 GPIO_IOInput例程

此代码为一个基于W55MH32的嵌入式程序，主要功能是对 GPIO 输入进行测试，同时配置 UART 串口通信用于输出系统时钟信息和按键按下的提示信息。

主函数main()

int main(void)
{
    RCC_ClocksTypeDef clocks;
    delay_init();
    UART_Configuration(115200);
    RCC_GetClocksFreq(&clocks);

    printf("n");
    printf("SYSCLK: %3.1fMhz, HCLK: %3.1fMhz, PCLK1: %3.1fMhz, PCLK2: %3.1fMhz, ADCCLK: %3.1fMhzn",
           (float)clocks.SYSCLK_Frequency / 1000000, (float)clocks.HCLK_Frequency / 1000000,
           (float)clocks.PCLK1_Frequency / 1000000, (float)clocks.PCLK2_Frequency / 1000000, (float)clocks.ADCCLK_Frequency / 1000000);
    printf("GPIO IO Input Tset.n");

    GPIO_Configuration();

    while (1)
    {
    }
}

对延时函数进行初始化。

把串口波特率配置为 115200。

获取系统时钟频率并输出。

配置 GPIO。

进入无限循环。

GPIO 配置函数GPIO_Configuration()

void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_PIN1_TEST;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_SPEED_TEST;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_MODE_TEST;
    GPIO_Init(GPIO_GROUP_TEST, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource1);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel                   = EXTI1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority        = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd                = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line    = EXTI_Line1;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode    = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
}

开启 GPIOA 和 AFIO 的时钟。

对 GPIO 引脚进行初始化。

把 GPIO 引脚配置为外部中断线。

对 NVIC（嵌套向量中断控制器）进行配置。

对外部中断进行配置，触发方式为下降沿触发。

UART 配置函数UART_Configuration()

void UART_Configuration(uint32_t bound)
{
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    USART_InitStructure.USART_BaudRate            = bound;
    USART_InitStructure.USART_WordLength          = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits            = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity              = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode                = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

    USART_Init(USART_TEST, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USART_TEST, ENABLE);
}

开启 USART1 和 GPIOA 的时钟。

对 USART1 的发送和接收引脚进行初始化。

对 USART1 进行初始化，设置波特率、数据位、停止位等参数。

使能 USART1。

外部中断处理函数EXTI1_IRQHandler()

void EXTI1_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) == SET)
    {
        delay_ms(10);
        if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == Bit_SET)
        {
            printf("The key is pressedn");
        }
    }
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
}

当检测到外部中断触发时，进行消抖处理。

若按键确实被按下，则通过串口输出提示信息。

清除中断标志位。

3.2 GPIO_IOOut例程

初始化部分：delay_init()：初始化延时函数。

UART_Configuration(115200)：配置串口，波特率为 115200。

RCC_GetClocksFreq(&clocks)：获取系统时钟频率信息，并通过串口打印出来。

GPIO_Configuration()：配置 GPIOB 的 PB0、PB2、PB3 为推挽输出模式。

主循环部分：

以 200ms 为间隔依次将 PB0、PB2、PB3 置高电平，再依次将它们置低电平，循环执行。

 while (1)
    {
        GPIO_SetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN1_TEST);
        printf("LED1 ONn");
        delay_ms(200);
        GPIO_SetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN2_TEST);
        printf("LED2 ONn");
        delay_ms(200);
        GPIO_SetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN3_TEST);
        printf("LED3 ONn");
        delay_ms(200);
        GPIO_ResetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN1_TEST);
        printf("LED1 OFFn");
        delay_ms(200);
        GPIO_ResetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN2_TEST);
        printf("LED2 OFFn");
        delay_ms(200);
        GPIO_ResetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN3_TEST);
        printf("LED3 OFFn");
        delay_ms(200);
    }
}

4 下载验证

4.1 GPIO_IOInput例程