STM32F3 GPIO的八种模式及工作原理
一、GPIO简介
GPIO(英语:General-purpose input/output),通用型之输入输出的简称,简单来说就是STM32可控制的引脚,STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来,从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32芯片的GPIO被分成很多组,每组有16个引脚,所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。
最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平,实现开关控制,如把GPIO引脚接入LED灯,那就可以控制LED灯的亮灭,引脚接入到继电器或三极管,那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。
最基本的输入功能是检测外部电平,如把GPIO引脚连接到按键,通过电平高低区分按键是否被按下。
二、GPIO的工作模式
- 4种输入模式
- GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入
- GPIO_Mode_IPU 上拉输入
- GPIO_Mode_IPD 下拉输入
- GPIO_Mode_AIN 模拟输入
- 4种输出模式
- GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出(带上拉或者下拉)
- GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出(带上拉或者下拉)
- GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出(带上拉或者下拉)
- GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出(带上拉或者下拉)
- 3种最大输出速度
- 2MHZ
- 10MHZ
- 50MHZ
三、GPIO框图剖析
我们所用到的每一个GPIO其内部结构都是这样,分别对应着GPIO的八种模式 这里我们简单的介绍下:
- 保护二极管: IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、过低的电压输入,当引脚电压高于VDD_FT时,上方的二极管导通,当引脚电压低于VSS时,下方的二极管导通,防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁
- 上拉、下拉电阻(输入驱动器中):控制引脚默认状态的电压,开启上拉的时候引脚默认电压为高电平,开启下拉的时候引脚默认电压为低电平
- TTL施密特触发器(输入驱动器中):基本原理是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;IO口信号经过触发器后,模拟信号转化为0和1的数字信号 也就是高低电平 并且是TTL电平协议 这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因
- P-MOS管和N-MOS管(输出寄存器中):信号由P-MOS管和N-MOS管,依据两个MOS管的工作方式,使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式 P-MOS管高电平导通,低电平关闭,下方的N-MOS低电平导通,高电平关闭
注意: VDD_FT 代表IO口,兼容3.3V和5V,如果没有标注“FT”,就代表着只支持3.3V 。在芯片手册中可以查看支持5V的引脚:
浮空输入模式
注意:浮空输入模式下,I/O的电平状态是不确定的,完全由外部输入决定;如果在该引脚悬空(在无信号输入)的情况下,读取该端口的电平是不确定的上拉输入模式
注意:上拉输入模式下,IO口默认为高电平下拉输入模式
注意:下拉输入模式下,IO口默认为低电平模拟输入模式
注意:模拟输入模式下,信号不经过施密特触发器,直接直接进入ADC模块,所以CPU不能读取输入寄存器上的引脚状态。除了ADC和DAC要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律 要配置为用功能模式。开漏输出模式
注意:在开漏输出模式时,只有N-MOS管工作,如果我们控制输出为0,则P-MOS管关闭,N-MOS管导通,使输出低电平,若控制输出为1时,则P-MOS管和N-MOS管都关闭,输出指令就不会起到作用而是由
I/O端口外部的上拉或者下拉决定,如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态。推挽输出模式(带上拉)
注意:在推挽输出模式时,N-MOS管和P-MOS管都工作,如果控制输出为0,则P-MOS管关闭,N-MOS管导通,若控制输出为1,则P-MOS管导通N-MOS管关闭。复用开漏输出
注意:复用开漏输出下,GPIO复用为其他外设,输出数据寄存器GPIOx_ODR无效; 输出的高低电平的来源于其它外设,复用推挽输出(带上拉)
注意:复用推挽输出下,GPIO复用为其他外设,输出数据寄存器GPIOx_ODR无效; 输出的高低电平的来源于其它外设,
输出模式下施密特触发器是打开的,所以mcu是可以读取到I/O口的实际状态。
开漏输出和推挽输出的区别:
推挽输出:可以输出强高低电平,连接数字器件,推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。
开漏输出:可以输出强低电平,高电平得靠外部电阻拉高,才能实现输出高电平,适合用做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20ma以内)。F4系列与F1系列区别:
本质上的区别是F4系列采用了Cortex-M4内核 而F1系列采用Cortex-M3内核
F1系列(M3)IO口基本结构:
F4系列(M4)IO口基本结构:
四、 寄存器介绍
STM32 的每个 IO 端口都有 7 个寄存器来控制,他们分别是:配置模式的 2 个 32 位的端口配置寄存器 CRL 和 CRH;2 个 32 位的数据寄存器 IDR 和 ODR;1 个 32 位的置位/复位寄存器BSRR;一个 16 位的复位寄存器 BRR;1 个 32 位的锁存寄存器 LCKR;这里我们仅介绍常用的几个寄存器,我们常用的 IO 端口寄存器只有 4 个:CRL、CRH、IDR、ODR。
- 配置模式CRL和CRH寄存器
从图中可以看出配置GPIO的模式需要4位进行配置,分辨是两位CNFy和两位MODEy进行配置,因为每组GPIO都有16个引脚,而STM32是32位的,所以一个寄存器无法完成一组GPIO的配置,其中CRL配置 0 ~ 7 引脚,CRH配置 8 ~ 15 引脚。
- 比如我们要设置 PORTB 的 12 位为推挽输出 ,5 位为上拉输入。
//配置PB5为上拉输入
GPIOB->CRH &= 0XFF0FFFFF; //清掉这5引脚位原来的设置,同时也不影响其他位的设置
GPIOB->CRH |= 0X00800000; // 配置PB5上拉输入
GPIOB->ODR= 1<<5; //PB5 上拉
//配置PB12为推挽输出
GPIOB->CRH &= 0XFFF0FFFF; //清掉这12引脚位原来的设置,同时也不影响其他位的设置
GPIOB->CRH |= 0X00030000; // 配置PB12推挽输出
端口输入数据寄存器IDR
端口输出数据寄存器ODR
端口位设置/清除寄存器BSRR
端口位清除寄存器BRR
端口配置锁定寄存器LCKR
五、编写程序
上面介绍了GPIO的8中工作模式以及GPIO的寄存器使用,那么在控制GPIO之前需要配置GPIO的工作模式,这是STM32和51单片存在区别的地方。51单片的引脚功能是确定的,而STM32的引脚都是可以复用的,程序配置GPIO的方式有两种,一种是通过库文件的方法进行配置,另一种是通过寄存器进行配置,由于库文件的配置方式比较简单,网上也有很多文章讲解,这里我以寄存器为例进行学习。
注意:STM32的所用引脚都可以用于中断
程序是基于之前创建的项目模板(寄存器版)中进行更改即可,没创建过STM32项目的小伙伴浏览之前的STM32新建模板之库文件和STM32新建模板之库文件。
- 更改main.c文件为一下内容即可
#include "stm32f10x.h"
#include "sys.h"
/*------------------------------------------------------------
主函数
------------------------------------------------------------*/
int main()
{
RCC->APB2ENR|=0X0000001c;//先使能外设IO PORTa,b,c时钟
RCC->APB2ENR |= 1 << 12;
GPIOB->CRH=0X00030000; //设置GPIOB的12引脚为推挽输出
while (1)
{
delay_ms(100);
GPIOB->ODR = ~(1 << 12); //设置12引脚输出0
delay_ms(100);
GPIOB->ODR |= 1 << 12; //设置12引脚输出1
}
}
- 这是一个led闪烁的程序,编译下载运行即可。
参考文献
STM32F4 GPIO八种模式及工作原理详解:https://blog.csdn.net/as480133937/article/details/98063549
STM32-GPIO详解:https://blog.csdn.net/dnfestivi/article/details/104984813
《STM32中文参考手册》
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