STM32单片机的GPIO端口设置

1 寄存器问题

首先要了解什么是寄存器？寄存器是中央处理器CPU内用来暂存指令、数据和地址的存储器，在所有应用单片机来进行各种控制操作时，都是通过设置单片机的内部寄存器来操作单片机的，其思想就是根据每块内存单元所具有功能的不同，给这些地址取一个别名，这个过程也叫作寄存器地址映射。在后面的发展过程中，为了减少直接操作寄存器，又增添了库文件操作，以及后来的CubeMX中设置各种寄存器信息，但寄存器操作是单片机内部基础操作的方式，因此寄存器的操作是很有必要了解一下的。

图1.1 存储结构图

1.1 单片机中的寄存器

单片机中有众多寄存器，在实际单片机操作中应熟练掌握的寄存器有程序状态寄存器PSW，定时器方式控制寄存器TMOD，电源控制寄存器PCON，定时器控制寄存器TCOD，中断允许寄存器IE，中断优先级寄存器IP，以及串行口控制寄存器SCON。

1.2 寄存器配置的常用方式

(1) 先将待设置位清0，再设置相应的值（常用）。

(2) 先将寄存器的值读出来，修改完成后，再写进寄存器。

1.3 寄存器地址

寄存器地址：保存当前CPU所访问的内存单元的地址。

基地址：Stm32的每个模块都包含多个寄存器，这些寄存器地址通常是连续的，而第一个寄存器的地址（地址值最低的地址）就是基地址。

偏移地址：寄存器在本模块中的地址偏移量。

绝对地址：绝对地址是寄存器的实际地址，它等于基地址+偏移地址。

图1.2 GPIO寄存器地址

　　在寄存器设置中首先会用到结构体，将操作GPIO的７个寄存器封装进一个结构体中，利用结构体的特性，结构体向内存申请连续存储空间，结构体中的32位变量正好就占据4字节，如是16位的就占据2字节。

2 GPIO端口设置

GPIO：G：通用 P：端口即通用I/O(输入/输出)端口，是Stm32可控制的引脚。Stm32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

图2.1 寄存器与GPIO口的关系图

2.1 GPIO端口位基本结构

GPIO的内部电路主要由一对保护二极管、受开关控制的上下拉电阻、TTL施密特触发器 、两个MOS管、输入输出数据寄存器、复位/置位寄存器、及一些读写控制逻辑电路等组成。注：施密特触发器具有电压滞后的特性，利用它对脉冲波形进行整形，使波形的上升沿或下降沿变得陡直。

图2.2 GPIO基本电路图

2.2 GPIO端口位的工作模式

2.2.1 输入模式

　　输入模式IO引脚用于读取外部状态，如判断外部按键的状态，接收外部各种传感器的信号等。

（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入（即不连接内部上下拉电阻）

（2）GPIO_Mode_IPU 上拉输入

（3）GPIO_Mode_IPD 下拉输入

（4）GPIO_Mode_AIN 模拟输入

图2.3 输入模式电路图

2.2.2 输出模式

　　输出模式IO引脚用于控制外部电路工作，如外部的LED的闪烁，LCD1602的显示等。

（5）GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出（带上拉或者下拉）

（6）GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出（带上拉或者下拉）

（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出（带上拉或者下拉）

（8）GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出（带上拉或者下拉）

图2.4 输出模式电路图

2.2.3 复用模式

　　复用模式IO引脚用于如定时器的PWM信号的输入输出引脚及串口的输入输出引脚等。

图2.5 复用模式电路图

2.2.4 AD/DA模拟信号输入输出模式

　　模拟信号输出输出模式IO引脚应用于输入模拟信号便于进行模数转换的电路。

图2.6 高阻抗模拟输入模式

3 GPIO端口工作模式设置

3.1 端口配置数据设置

IO引脚的工作模式的设置通过模式选择寄存器GPIOx_MODER来完成，GPIO中的每一个引脚的功能都由两个位控制，CNF0[1:0]与MODE0[1:0]配置序号为0的引脚，后面的引脚依次类推，一组IO口有16个引脚，故需要64bit来配置一组端口，在Stm32中利用两个32位寄存器高位CRH与低位CRL寄存器控制GPIO。其中每一个IO口都是由7个寄存器来控制（CRH、CRL、IDR、ODR、BRR、BSRR、LCKR）[1]。

图3.1GPIO寄存器简介

图3.2 GPIO端口配置低位寄存器表

　　通过软件来设置相应的端口时，就需要参考GPIO配置寄存器表，如在输入模式（MODE[1:0]=00), 输出模式（MODE[1:0]>00),输入输出确定后在CNF[1:0]中确定输出输入的模式（8种）。

图3.3 输入输出配置图

例：
//使能PORTA时钟
 　　RCC- >APB2ENR|=1< < 2;    
//将GPIOA的PA13位清零
    GPIOA- >CRH&=0XFF0FFFFF;   
//首先PA13位为8（二进制1000）MODE位为00，因此是输入，
//ＣＮＦ位为10，即为上拉/下拉输入
    GPIOA- >CRH|=0X00800000; //PA13设置成上拉/下拉输入 
//PA13输出为高    
    GPIOA- >ODR|=1< < 13;

3.2 输入输出端口设置

　　控制GPIO的寄存器已经在3.1介绍过了，现主要介绍一下输入输出的端口寄存器。

（1）端口输入寄存器IDR

图3.4 寄存器IDR配置表

（2）端口输出寄存器ODR

图3.5 寄存器IDR配置表

4 推挽电路与开漏电路

4.1 推挽电路

推挽电路由输入部分、输出部分、NPN型三极管及PNP型三极管组成，通过输入电压的正负来控制电路中的三极管来达到推挽的效果[2]。

图4.1 推挽电路原理图

4.1.1 推电路

当Vin端电压为V+时，上面的N型三极管Q3导通，下面的P型三极管阻塞，电流通过Q3给负载供电，这样的电路就叫推push电路。

图4.2 推电路原理图

4.1.2 挽电路

挽电路同理，即当Vin端电压为V-时，P型三极管Q4导通，电流通过负载从下往上流去，这就叫挽pull。

图4.3 挽电路原理图

推挽电路的优缺点：由于电路在工作时，两个对称开关三极管每次只有一个导通，所以导通时的损耗较小，且效率高。输出即可以向负载灌电流，也可从负载抽取电流，推拉式输出级即提高电路的负载能力，又提高开关速度。

4.2 开漏电路

场效应管是电压控制型元器件，当对场效应管的栅极施加电压时，漏极与源极会导通。结型场效应管有一个特性就是它的输入阻抗非常大，这意味着：没有电流从控制电路流出，也没有电流进入控制电路。没有电流流入或流出，就不会烧坏控制电路。

图4.4 N型场效应管

开漏电路(Open-Drain)就是将图4.5中的三极管换为场效应管，利用栅极的输入来达到控制LED灯的亮灭，即当栅极有电流时，Q5导通及电流不会流入LED灯，所以LED灯灭，当栅极无电流时，Q5断开，LED灯亮。

图4.5 开漏电路原理图

开漏电路可以利用外部电路的驱动能力，减少cpu内部的驱动，且开漏输出提供了灵活的输出方式，但当上升沿通过外接上拉无源电阻对负载充电，即当电阻选择小时延时小，但功耗大，反之亦然。

5 GPIO端口输出功能配置步骤及涉及的寄存器

在Stm32单片机由内核和各种电路模块组成，如通用模块中的GPIO模块、串行外设接口SPI、同步/异步串口接口、定时器等电路模块，Stm32单片机通过对各种外设的寄存器进行操作达到操作外设的目的。

5.1 GPIO的配置流程

使能端口时钟，使用前先使能对应模块的时钟；

配置端口位的工作模式寄存器；

配置电路驱动类型寄存器，如推挽还是开漏；

配置引脚响应速度寄存器；

配置上下拉电阻设置寄存器；

配置输出数据寄存器；

5.2 GPIO点亮LED灯的配置流程

void LED_init9(void)
{
//我的stm32板中的两个LED灯在GPIO的A和D组中,在USART1中.
//首先先使能端口APB2,USART1挂载在APB2通道上

  RCC- >APB2ENR|=1< < 2;    //使能PORTA时钟        
  RCC- >APB2ENR|=1< < 5;    //使能PORTD时钟  

//设置GPIOA的8号引脚，8号引脚属于高位因此对CRH寄存器进行操作
//再设置ODR寄存器，对端口的输出电压高低进行设置

  GPIOA- >CRH&=0XFFFFFFF0; //清除bit位
  GPIOA- >CRH|=0X00000003;//PA8 推挽输出  最大输出速度    
    GPIOA- >ODR|=1< < 8;      //PA8 输出高，即将端口的输出电平设置高电平

//与GPIOA同理                        
  GPIOD- >CRL&=0XFFFFF0FF;
  GPIOD- >CRL|=0X00000300;//PD.2推挽输出
  GPIOD- >ODR|=1< < 2;      //PD.2输出高 
}