第11章 GPIO输出—使用固件库点亮LED

第11章     GPIO输出—使用固件库点亮LED

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本章参考资料：《STM32F4xx参考手册》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。

利用库建立好的工程模板，就可以方便地使用STM32标准库编写应用程序了，可以说从这一章我们才开始迈入STM32开发的大门。

LED灯的控制使用到GPIO外设的基本输出功能，本章中不再赘述GPIO外设的概念，如您忘记了，可重读前面"GPIO框图剖析"小节，STM32标准库中GPIO初始化结构体GPIO_TypeDef的定义与"定义引脚模式的枚举类型"小节中讲解的相同。

11.1 硬件设计

本实验板连接了一个RGB彩灯及一个普通LED灯，RGB彩灯实际上由三盏分别为红色、绿色、蓝色的LED灯组成，通过控制RGB颜色强度的组合，可以混合出各种色彩。

图 111 LED硬件原理图

这些LED灯的阴极都是连接到STM32的GPIO引脚，只要我们控制GPIO引脚的电平输出状态，即可控制LED灯的亮灭。图中左上方，其中彩灯的阳极连接到的一个电路图符号"口口"，它表示引出排针，即此处本身断开，须通过跳线帽连接排针，把电源跟彩灯的阳极连起来，实验时需注意。

若您使用的实验板LED灯的连接方式或引脚不一样，只需根据我们的工程修改引脚即可，程序的控制原理相同。

11.2 软件设计

这里只讲解核心部分的代码，有些变量的设置，头文件的包含等可能不会涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。

为了使工程更加有条理，我们把LED灯控制相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在"工程模板"之上新建"bsp_led.c"及"bsp_led.h"文件，其中的"bsp"即Board Support Packet的缩写(板级支持包)，这些文件也可根据您的喜好命名，这些文件不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。

11.2.1 编程要点

1.    使能GPIO端口时钟；

2.    初始化GPIO目标引脚为推挽输出模式；

3.    编写简单测试程序，控制GPIO引脚输出高、低电平。

11.2.2 代码分析

1.    LED灯引脚宏定义

在编写应用程序的过程中，要考虑更改硬件环境的情况，例如LED灯的控制引脚与当前的不一样，我们希望程序只需要做最小的修改即可在新的环境正常运行。这个时候一般把硬件相关的部分使用宏来封装，若更改了硬件环境，只修改这些硬件相关的宏即可，这些定义一般存储在头文件，即本例子中的"bsp_led.h"文件中，见代码清单111。

代码清单 111 LED控制引脚相关的宏

1 //引脚定义

2 /*******************************************************/

3 //R 红色灯

4 #define LED1_PIN GPIO_Pin_10

5 #define LED1_GPIO_PORT GPIOH

6 #define LED1_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOH

7

8 //G 绿色灯

9 #define LED2_PIN GPIO_Pin_11

10 #define LED2_GPIO_PORT GPIOH

11 #define LED2_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOH

12

13 //B 蓝色灯

14 #define LED3_PIN GPIO_Pin_12

15 #define LED3_GPIO_PORT GPIOH

16 #define LED3_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOH

17

18 //小指示灯

19 #define LED4_PIN GPIO_Pin_11

20 #define LED4_GPIO_PORT GPIOD

21 #define LED4_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOD

22 /************************************************************/

以上代码分别把控制四盏LED灯的GPIO端口、GPIO引脚号以及GPIO端口时钟封装起来了。在实际控制的时候我们就直接用这些宏，以达到应用代码硬件无关的效果。

其中的GPIO时钟宏"RCC_AHB1Periph_GPIOH"和"RCC_AHB1Periph_GPIOD"是STM32标准库定义的GPIO端口时钟相关的宏，它的作用与"GPIO_Pin_x"这类宏类似，是用于指示寄存器位的，方便库函数使用。它们分别指示GPIOH、GPIOD的时钟，下面初始化GPIO时钟的时候可以看到它的用法。

2.    控制LED灯亮灭状态的宏定义

为了方便控制LED灯，我们把LED灯常用的亮、灭及状态反转的控制也直接定义成宏，见代码清单 112。

代码清单 112 控制LED亮灭的宏

1

2 /* 直接操作寄存器的方法控制IO */

3 #define digitalHi(p,i) {p->BSRRL=i;} //设置为高电平

4 #define digitalLo(p,i) {p->BSRRH=i;} //输出低电平

5 #define digitalToggle(p,i) {p->ODR ^=i;} //输出反转状态

6

7

8 /* 定义控制IO的宏 */

9 #define LED1_TOGGLE digitalToggle(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)

10 #define LED1_OFF digitalHi(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)

11 #define LED1_ON digitalLo(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)

12

13 #define LED2_TOGGLE digitalToggle(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)

14 #define LED2_OFF digitalHi(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)

15 #define LED2_ON digitalLo(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)

16

17 #define LED3_TOGGLE digitalToggle(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)

18 #define LED3_OFF digitalHi(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)

19 #define LED3_ON digitalLo(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)

20

21 #define LED4_TOGGLE digitalToggle(LED4_GPIO_PORT,LED4_PIN)

22 #define LED4_OFF digitalHi(LED4_GPIO_PORT,LED4_PIN)

23 #define LED4_ON digitalLo(LED4_GPIO_PORT,LED4_PIN)

24

25

26 /* 基本混色，后面高级用法使用PWM可混出全彩颜色,且效果更好 */

27

28 //红

29 #define LED_RED \

30 LED1_ON;\

31 LED2_OFF;\

32 LED3_OFF

33

34 //绿

35 #define LED_GREEN \

36 LED1_OFF;\

37 LED2_ON;\

38 LED3_OFF

39

40 //蓝

41 #define LED_BLUE \

42 LED1_OFF;\

43 LED2_OFF;\

44 LED3_ON

45

46

47 //黄(红+绿)

48 #define LED_YELLOW \

49 LED1_ON;\

50 LED2_ON;\

51 LED3_OFF

这部分宏控制LED亮灭的操作是直接向BSRR寄存器写入控制指令来实现的，对BSRRL写1输出高电平，对BSRRH写1输出低电平，对ODR寄存器某位进行异或操作可反转位的状态。

RGB彩灯可以实现混色，如最后一段代码我们控制红灯和绿灯亮而蓝灯灭，可混出黄色效果。

代码中的"\"是C语言中的续行符语法，表示续行符的下一行与续行符所在的代码是同一行。代码中因为宏定义关键字"#define"只是对当前行有效，所以我们使用续行符来连接起来，以下的代码是等效的：

#define LED_YELLOW LED1_ON; LED2_ON; LED3_OFF

应用续行符的时候要注意，在"\"后面不能有任何字符(包括注释、空格)，只能直接回车。

3.    LED GPIO初始化函数

利用上面的宏，编写LED灯的初始化函数，见代码清单 113。

代码清单 113 LED GPIO初始化函数

1 /**

2 * @brief 初始化控制LED的IO

3 * @param 无

4 * @retval 无

5 */

6 void LED_GPIO_Config(void)

7 {

8 /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/

9 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

10

11 /*开启LED相关的GPIO外设时钟*/

12 RCC_AHB1PeriphClockCmd ( LED1_GPIO_CLK|

13 LED2_GPIO_CLK|

14 LED3_GPIO_CLK|

15 LED4_GPIO_CLK,

16 ENABLE);

17

18 /*选择要控制的GPIO引脚*/

19 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED1_PIN;

20

21 /*设置引脚模式为输出模式*/

22 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;

23

24 /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/

25 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

26

27 /*设置引脚为上拉模式*/

28 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;

29

30 /*设置引脚速率为2MHz */

31 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

32

33 /*调用库函数，使用上面配置的GPIO_InitStructure初始化GPIO*/

34 GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

35

36 /*选择要控制的GPIO引脚*/

37 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED2_PIN;

38 GPIO_Init(LED2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

39

40 /*选择要控制的GPIO引脚*/

41 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED3_PIN;

42 GPIO_Init(LED3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

43

44 /*选择要控制的GPIO引脚*/

45 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED4_PIN;

46 GPIO_Init(LED4_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

47

48 /*关闭RGB灯*/

49 LED_RGBOFF;

50

51 /*指示灯默认开启*/

52 LED4(ON);

53 }

整个函数与"构建库函数雏形"章节中的类似，主要区别是硬件相关的部分使用宏来代替，初始化GPIO端口时钟时也采用了STM32库函数，函数执行流程如下：

(1)    使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。

(2)    调用库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd来使能LED灯的GPIO端口时钟，在前面的章节中我们是直接向RCC寄存器赋值来使能时钟的，不如这样直观。该函数有两个输入参数，第一个参数用于指示要配置的时钟，如本例中的"RCC_AHB1Periph_GPIOH"和"RCC_AHB1Periph_GPIOD"，应用时我们使用"|"操作同时配置四个LED灯的时钟；函数的第二个参数用于设置状态，可输入"Disable"关闭或"Enable"使能时钟。

(3)    向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成推挽输出模式，其中的GPIO_Pin使用宏"LEDx_PIN"来赋值，使函数的实现方便移植。

(4)    使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化，这里的GPIO端口使用"LEDx_GPIO_PORT"宏来赋值，也是为了程序移植方便。

(5)    使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其它LED灯使用的GPIO引脚。

(6)    使用宏控制RGB灯默认关闭，LED4指示灯默认开启。

4.    主函数

编写完LED灯的控制函数后，就可以在main函数中测试了，见代码清单 114。

代码清单 114 控制LED灯，main文件

1 #include "stm32f4xx.h"

2 #include "./led/bsp_led.h"

3

4 void Delay(__IO u32 nCount);

5

6 /**

7 * @brief 主函数

8 * @param 无

9 * @retval 无

10 */

11 int main(void)

12 {

13 /* LED 端口初始化 */

14 LED_GPIO_Config();

15

16 /* 控制LED灯 */

17 while (1) {

18 LED1( ON ); // 亮

19 Delay(0xFFFFFF);

20 LED1( OFF ); // 灭

21

22 LED2( ON ); // 亮

23 Delay(0xFFFFFF);

24 LED2( OFF ); // 灭

25

26 LED3( ON ); // 亮

27 Delay(0xFFFFFF);

28 LED3( OFF ); // 灭

29

30 LED4( ON ); // 亮

31 Delay(0xFFFFFF);

32 LED4( OFF ); // 灭

33

34 /*轮流显示红绿蓝黄紫青白颜色*/

35 LED_RED;

36 Delay(0xFFFFFF);

37

38 LED_GREEN;

39 Delay(0xFFFFFF);

40

41 LED_BLUE;

42 Delay(0xFFFFFF);

43

44 LED_YELLOW;

45 Delay(0xFFFFFF);

46

47 LED_PURPLE;

48 Delay(0xFFFFFF);

49

50 LED_CYAN;

51 Delay(0xFFFFFF);

52

53 LED_WHITE;

54 Delay(0xFFFFFF);

55

56 LED_RGBOFF;

57 Delay(0xFFFFFF);

58 }

59 }

60

61 void Delay(__IO uint32_t nCount) //简单的延时函数

62 {

63 for (; nCount != 0; nCount--);

64 }

在main函数中，调用我们前面定义的LED_GPIO_Config初始化好LED的控制引脚，然后直接调用各种控制LED灯亮灭的宏来实现LED灯的控制。

以上，就是一个使用STM32标准软件库开发应用的流程。

11.2.1 下载验证

把编译好的程序下载到开发板并复位，可看到RGB彩灯轮流显示不同的颜色。

11.3 STM32标准库补充知识

1.    SystemInit函数去哪了？

在前几章我们自己建工程的时候需要定义一个SystemInit空函数，但是在这个用STM32标准库的工程却没有这样做，SystemInit函数去哪了呢？

这个函数在STM32标准库的"system_stm32f4xx.c"文件中定义了，而我们的工程已经包含该文件。标准库中的SystemInit函数把STM32芯片的系统时钟设置成了180MHz，即此时AHB1时钟频率为180MHz，APB2为90MHz，APB1为45MHz。当STM32芯片上电后，执行启动文件中的指令后，会调用该函数，设置系统时钟为以上状态。

2.    断言

细心对比过前几章我们自己定义的GPIO_Init函数与STM32标准库中同名函数的读者，会发现标准库中的函数内容多了一些乱七八糟的东西，见代码清单 115。

代码清单 115 GPIO_Init函数的断言部分

1 void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)

2 {

3 uint32_t pinpos = 0x00, pos = 0x00 , currentpin = 0x00;

4

5 /* Check the parameters */

6 assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));

7 assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin));

8 assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_InitStruct->GPIO_Mode));

9 assert_param(IS_GPIO_PUPD(GPIO_InitStruct->GPIO_PuPd));

10

11 /* ------- 以下内容省略，跟前面我们定义的函数内容相同----- */

基本上每个库函数的开头都会有这样类似的内容，这里的"assert_param"实际是一个宏，在库函数中它用于检查输入参数是否符合要求，若不符合要求则执行某个函数输出警告，"assert_param"的定义见代码清单 116。

代码清单 116 stm32f4xx_conf.h文件中关于断言的定义

1

2 #ifdef USE_FULL_ASSERT

3 /**

4 * @brief assert_param 宏用于函数的输入参数检查

5 * @param expr:若expr值为假，则调用assert_failed函数

6 * 报告文件名及错误行号

7 * 若expr值为真，则不执行操作

8 */

9 #define assert_param(expr) \

10 ((expr) ? (void)0 : assert_failed((uint8_t *)__FILE__, __LINE__))

11 /* 错误输出函数 ------------------------------------------------------- */

12 void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line);

13 #else

14 #define assert_param(expr) ((void)0)

15 #endif

这段代码的意思是，假如我们不定义"USE_FULL_ASSERT"宏，那么"assert_param"就是一个空的宏(#else与#endif之间的语句生效)，没有任何操作。从而所有库函数中的assert_param实际上都无意义，我们就当看不见好了。

假如我们定义了"USE_FULL_ASSERT"宏，那么"assert_param"就是一个有操作的语句(#if与#else之间的语句生效)，该宏对参数expr使用C语言中的问号表达式进行判断，若expr值为真，则无操作(void 0)，若表达式的值为假，则调用"assert_failed"函数，且该函数的输入参数为"__FILE__"及"__LINE__"，这两个参数分别代表"assert_param"宏被调用时所在的"文件名"及"行号"。

但库文件只对"assert_failed"写了函数声明，没有写函数定义，实际用时需要用户来定义，我们一般会用printf函数来输出这些信息，见代码清单 117。

代码清单 117 assert_failed 输出错误信息

1 void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)

2 {

3 printf("\r\n输入参数错误，错误文件名=%s,行号=%s",file,line);

4 }

注意在我们的这个LED工程中，还不支持printf函数(在USART外设章节会讲解)，想测试assert_failed输出的读者，可以在这个函数中做点亮红色LED灯的操作，作为警告输出测试。

那么为什么函数输入参数不对的时候，assert_param宏中的expr参数值会是假呢？这要回到GPIO_Init函数，看它对assert_param宏的调用，它被调用时分别以"IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx)"、"IS_GPIO_PIN(GPIO_InitStruct->GPIO_Pin)"等作为输入参数，也就是说被调用时，expr实际上是一条针对输入参数的判断表达式。例如"IS_GPIO_PIN"的宏定义：

1 #define IS_GPIO_PIN(PIN) ((PIN) != (uint32_t)0x00)

若它的输入参数 PIN 值为0，则表达式的值为假，PIN非0时表达式的值为真。我们知道用于选择GPIO引脚号的宏"GPIO_Pin_x"的值至少有一个数据位为1，这样的输入参数才有意义，若GPIO_InitStruct->GPIO_Pin的值为0，输入参数就无效了。配合"IS_GPIO_PIN"这句表达式，"assert_param"就实现了检查输入参数的功能。对assert_param宏的其它调用方式类似，大家可以自己看库源码来研究一下。

3.    Doxygen注释规范

在STM32标准库以及我们自己编写的"bsp_led.c"文件中，可以看到一些比较特别的注释，类似代码清单 118。

代码清单 118 Doxygen注释规范

1 /**

2 * @brief 初始化控制LED的IO

3 * @param 无

4 * @retval 无

5 */

这是一种名为"Doxygen"的注释规范，如果在工程文件中按照这种规范去注释，可以使用Doxygen软件自动根据注释生成帮助文档。我们所说非常重要的库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》，就是由该软件根据库文件的注释生成的。关于Doxygen注释规范本教程不作讲解，感兴趣的读者可自行搜索网络上的资料学习。

4.    防止头文件重复包含

在STM32标准库的所有头文件以及我们自己编写的"bsp_led.h"头文件中，可看到类似代码清单 119的宏定义。它的功能是防止头文件被重复包含，避免引起编译错误。

代码清单 119 防止头文件重复包含的宏

1 #ifndef __LED_H

2 #define __LED_H

3

4 /*此处省略头文件的具体内容*/

5

6 #endif /* end of __LED_H */

在头文件的开头，使用"#ifndef"关键字，判断标号"__LED_H"是否被定义，若没有被定义，则从"#ifndef"至"#endif"关键字之间的内容都有效，也就是说，这个头文件若被其它文件"#include"，它就会被包含到其该文件中了，且头文件中紧接着使用"#define"关键字定义上面判断的标号"__LED_H"。当这个头文件被同一个文件第二次"#include"包含的时候，由于有了第一次包含中的"#define __LED_H"定义，这时再判断"#ifndef __LED_H"，判断的结果就是假了，从"#ifndef"至"#endif"之间的内容都无效，从而防止了同一个头文件被包含多次，编译时就不会出现"redefine（重复定义）"的错误了。

一般来说，我们不会直接在C的源文件写两个"#include"来包含同一个头文件，但可能因为头文件内部的包含导致重复，这种代码主要是避免这样的问题。如"bsp_led.h"文件中使用了"#include "stm32f4xx.h" "语句，按习惯，可能我们写主程序的时候会在main文件写"#include "bsp_led.h" 及#include "stm32f4xx.h""，这个时候"stm32f4xx.h"文件就被包含两次了，如果没有这种机制，就会出错。

至于为什么要用两个下划线来定义"__LED_H"标号，其实这只是防止它与其它普通宏定义重复了，如我们用"GPIO_PIN_0"来代替这个判断标号，就会因为stm32f4xx.h已经定义了GPIO_PIN_0，结果导致"bsp_led.h"文件无效了，"bsp_led.h"文件一次都没被包含。

11.4 每课一练

1.    参考本章中的工程范例，使用STM32标准库编写控制LED灯的程序。

2.    修改"bsp_led.h"头文件中控制LED灯引脚的宏，改至实验板的其它GPIO引脚，然后使用电压表测量该引脚的电平状态。(注意测量引脚状态的时候，程序要控制GPIO输出恒定的电平，方便电压表检测。部分引脚可能已连接到板子上的其它芯片，可能存在干扰。)

3.    设置"stm32f4xx_conf.h"文件，使能"assert_param"断言功能，并定义"assert_failed"函数，当调用库函数参数错误时，该函数点亮LED红灯警告。

开源共享，共同进步。