M4——GPIO配置

1.GPIO 简述:

　　通用输入输出(General Purpose Input Output)的简称，就是芯片引脚可以通过他们输出高电平或者低电平，也可以通过他们读取引脚的电平状态。

　　以STM32F407ZGT6芯片为例（后面都是以这种芯片为例），这种芯片共有112个I/O口，共7组，每组16个引脚（0~15），可以通过配置寄存器来确定某个引脚用于输入、输出还是其他特殊功能。想要什么功能，使用之前先配置，其中默认为输入浮空模式。

在一个芯片内部，CPU通过地址来设别片内外设。分配给每个硬件外设的地址就是外设的寄存器地址。CPU通过寄存器操作片内外设。GPIO口对应的地址如下图：

寄存器：是一个存储器，它存储了控制硬件怎么运行、硬件运行的状态。

变量：当我们定义一个变量的时候，编译器会帮我们在RAM中申请一个存储空间。

变量和寄存器的不同点：变量的意义由程序员决定，而寄存器每一位代表的意义由设计芯片的人决定。　　

　　每个通用 I/O 端口包括 4 个 32 位配置寄存器（GPIOx_MODER、 GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR 和 GPIOx_PUPDR）、 2 个 32 位数据寄存器（GPIOx_IDR 和GPIOx_ODR）、 1 个 32 位置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)、 1 个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR) 和 2 个 32 位复用功能选择寄存器（GPIOx_AFRH 和 GPIOx_AFRL）。 

2.GPIO主要特性

　　（1）每组GPIO口都有16个端口，端口编号为0～15。

　　（2）在输出状态下可设置成推挽输出或开漏输出，以及根据需要决定是否开启上拉/下拉功能。

　　（3）每个GPIO端口都可以设置成通用模式和复用模式。

　　（4）每个GPIO端口可以配置不同的输出速度。

　　（5）在输入状态下，可设置为浮空输入、上拉/下拉输入以及模拟输入。

　　（6）可以利用置位和复位寄存器（GPIOx_BSRR）对输出数据寄存器（GPIOx_ODR）进行按位写操作。

　　（7）可以利用端口配置寄存器（GPIOx_LCKR）对GPIO端口进行冻结配置。

　　（8）通过复用功能输入/输出选择寄存器可以设置GPIO端口的复用功能。

3.GPIO每个端口都可以由软件配置成如下几种模式：

1. 输入浮空：在浮空输入状态下，GPIO的电平状态是不确定的，完全由外部输入确定。如果在悬空状态下读取GPIO口，得到将是一个不确定的电平值。一般用于处理信号方面。
2. 输入上拉：在没有外界输入的情况下，能够让GPIO口在没有连接信号的时候有一个确定的高电平信号。一般用于对输入的电平信号进行检测。
3. 输入下拉：在没有外界输入的情况下，能够让GPIO口在没有连接信号的时候有一个确定的低电平信号。一般用于对输入的电平信号进行检测。
4. 模拟功能：芯片内部ADC或DAC的专用功能。
5. 具有上拉或下拉功能的开漏输出：开漏输出也叫断开输出。可以正常的输出低电平(0)，但是没有输出高电平(1)的能力。如果需要输出1，则需要配置成上拉功能的开漏输出。注意：芯片内部的上拉属于弱上拉，驱动能力很小，如果要获得较强的驱动能力，需要在芯片外部外接上拉电阻。
6. 具有上拉或下拉功能的推挽输出：推挽输出即可以输出高电平(1)，也可以输出低电平(0)。
7. 具有上拉或下拉功能的复用功能推挽：当GPIO口做为第二功能时配置层推挽输出模式。复用功能是指GPIO端口的第二功能，也就是片内外设模块的管脚专用功能。
8. 具有上拉或下拉功能的复用功能开漏：当GPIO口做为第二功能时配置层开漏输出模式。

4. 5 V 容忍 I/O 端口位的基本结构

　　需要配置什么功能，要结合实际外部电路图来分析

5.GPIO端口位配置表（查数据手册所得）

6.GPIO输入配置

　　对IO端口配置为输入时，TTL施密特触发器被打开，输出缓冲器被关闭（也就是输出电路管脚断开），根据GPIOx_PUPD寄存器（并结合实际电路）决定是否打开上/下拉（需要有明确的电平），对输入数据寄存器只有读操作。

7.输出配置

　　配置IO口为普通功能输出时，输出缓冲器被打开（注意：开漏模式时，输出寄存器中的‘0’可激活N-MOS，‘1’会使端口保持高阻态，基本没作用，P-MOS始终不激活；推挽模式时，输出寄存器的‘0’激活N-MOS，‘1’激活P-MOS），施密特触发器也会被打开，用于监控管脚的实际电平状态，根据实际情况决定是否需要上下拉，输入寄存器仍然可读。

8.复用功能配置

　　IO配置为复用功能时，可将输出缓冲器配置为开漏或者推挽，输出缓冲器来自外设的信号驱动，施密特触发器也被打开（但是输入输出是独立存在的），可根据实际情况配置上下拉，可对输入数据寄存器读取IO状态。

9.模拟功能

输出缓冲器被禁止，施密特触发器输入停用， I/O 引脚的每个模拟输入的功耗变为零。施密特触发器的输出被强制处理为恒定值 (0)。弱上拉和下拉电阻被关闭。对输入数据寄存器的读访问值为“ 0”。

10.配置示范

　　　　如果GPIO要配置成推挽式输出功能，速度为50M,则对应的位配置为：

MODER[1:0]	OTYPER	OSPEEDR[B:A]	PUPDR[1:0]
01	0	10	00

　　　　如果GPIO要配置成输入功能，则对应的位配置为：

MODER[1:0]	OTYPER	OSPEEDR[B:A]	PUPDR[1:0]
00	/	/	01/10

　　　　如果GPIO要配置成复用功能，则对应的位配置为：

MODER[1:0]	OTYPER	OSPEEDR[B:A]	PUPDR[1:0]
10	/	/	/

11.需要配置相关寄存器

　　（1）  RCC AHB1外设时钟使能寄存器（RCC_AHB1ENR）：配置IO功能模式时，先使能对应时钟，相关GPIO位置1使能

　　　　　　如果使能GPIOB组时钟，则寄存器配置为：

　　　　　　RCC->AHB1ENR |= 1x01 << 1;   //使能GPIOB组时钟

　　（2）GPIO 端口模式寄存器 :配置IO工作模式（2位控制一个IO管脚）：先对操作的位清零，再置相关的值

　　　　例如把GPIOB的端口8配置成复用模式，则寄存器配置为：

　　　　GPIOB->MODER &= ~(3 << 16);    //把MODER寄存器的16,17位清零

　　　　GPIOB->MODER |= 2 << 16;       //把端口8设置成复用模式

　　（3）GPIO 端口输出类型寄存器 (GPIOx_OTYPER) ：0：推挽输出、1：开漏输出

　　　　　　　　例如把GPIOA的端口8输出方式位开漏输出，则寄存器配置为：

　　　　　　　　GPIOA->OTYPER |= 1x01 << 8;

　　（4）GPIO 端口输出速度寄存器 (GPIOx_OSPEEDR)

　　（5）GPIO 端口上拉/下拉寄存器 (GPIOx_PUPDR)

　　（6）GPIO 端口输入数据寄存器 (GPIOx_IDR)：对其只有读操作

　　　　用于读取对应的GPIO口输入的高低电平。一个位对应于一组 IO 中的一个引脚。读取结果是 1，表示该 IO 引脚是高电平，结果是 0，则表示对应 IO 引脚是低电平。

　　（7）GPIO 端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR)（x = A～G）

　　（8）GPIO 端口置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)（x = A～G）：

　　　　　　注意：当一个端口同时设置了置1位和清零位，那么置1位有效，对相关为写1以后，相应的功能实现后，自动清除。

输出寄存器(GPIOx->ODR)和置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)区别：

         例：在GPIOB的端口7输出高电平

1）    使用ORD寄存器

GPIOB->ODR |= 1 << 7;

程序执行步骤：

①   读取ODR寄存器的值

②   把读出来的值和1 <<7进行按位或运算

③   把计算后的值再写入ODR寄存器

2）    使用BSRR寄存器

GPIOB->BSRRL = 1 << 11;

程序执行步骤：

把1<<7的值写入BSRR寄存器

　　（9）GPIO 端口配置锁定寄存器 (GPIOx_LCKR)（x = A～G）：起到锁定某个管脚的模式、输出类型、输出速度、上下拉的作用，当模块复位后锁定会被取消

　　（10）GPIO 复用功能低位寄存器 (GPIOx_AFRL)  ：需要查相关复用功能对应的值

　　（11）GPIO 复用功能高位寄存器 (GPIOx_AFRH)

对寄存器的计算，可画出来理解：

　　GPIOF->MODER  &=  (~(0X03<<12));

---->

　　GPIOF->MODER  =  GPIOF->MODER  &  (~(0X03<<12));

　　XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX

　　1111 1111 1111 1111 1100 1111 1111 1111

　　XXXX XXXX XXXX XXXX XX00 XXXX XXXX XXXX

　　GPIOF->MODER  |=   0X01<<12;

--->

　　GPIOF->MODER =  GPIOF->MODER | 0X01<<12;

　　XXXX XXXX XXXX XXXX XX00 XXXX XXXX XXXX

　　0000 0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000

　　XXXX XXXX XXXX XXXX XX01 XXXX XXXX XXXX

12.GPIO口初始化步骤：（以LED1 、4灯为例）:由电路图分析，可知LED4由PC0管脚控制，并且是不用上下拉的推挽输出模式

void Led_Init(void)

{

/* 1.使能GPIO口时钟 */

　　  RCC->AHB1ENR |= 1 << 2 ;          /* 使能GPIOC端口时钟 */

/* 设置GPIO工作模式 */

　 GPIOC->MODER &= ~(3 << (0 * 2));   /* 把MODER寄存器0,1位清零 */

　　GPIOC->MODER |= 1 << (0 * 2);        /* PC0设置成通用输出模式 */

/* 设置GPIO输出方式 */

　　GPIOC->OTYPER &= ~(1 << 0);        /* PC0输出方式为推挽输出 */

/* 设置GPIO输出速度 */

　　GPIOC->OSPEEDR &= ~(3 << (0 * 2));   /* 把OSPEEDR寄存器12,13位清零 */

　　GPIOC->OSPEEDR |= 2 << (0 * 2);      /* PC6输出速度50M */

/* 设置上下拉模式 */

　　GPIOF->PUPDR &= ~(3 << (0 * 2));     /* PC0不需要无上/下拉 */

/* 设置GPIO初始输出 */

　　GPIOC->ODR |= 1 << 0;             /* GPIOC.0初始化状态为输出高电平 */

}