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一、写在前面：

之前上过嵌入式的课程，也曾用rt1052/64把别人的程序编编改改，但对于单片机的理解仅停留在胎教的阶段。此次利用老师给的stm32f4（探索者）开发板，对单片机进行一个全面的学习。

   该文章为学习笔记，内容主要来自《Cortex M3与M4权威指南》、《STM32F4xx中文参考手册》、《STM32F4开发指南-寄存器版本_V1.2》、《STM32F4开发指南-库函数版本_V1.2》、正点原子的教学视频及网络。环境选择Keil uVision5。

        由于我编程和模电水平确实较差，望大家多批评指正了

二、GPIO基本情况

1.概述

   GPIO（General-purpose input/output），通用型输入输出的简称。既然一个引脚可以用于输入、输出或其他特殊功能，那么一定有寄存器用来选择这些功能。对于输入，一定可以通过读取某个寄存器来确定引脚电位的高低；对于输出，一定可以通过写入某个寄存器来让这个引脚输出高电位或者低电位；而对于其他特殊功能，则有另外的寄存器来控制它们。

2.引脚说明

     ①一共有7组IO口：GPIOA—GPIOG

        ②每组IO口有16个IO：GPIOA_0—GPIOA_15

        ③一共7*16=112个IO

        ④所有IO口都可以作为中断输入

3.GPIO工作方式

 图1、2  5V容忍I/O端口位的基本结构

（1）4种输入模式

  ①输入浮空（input floating）

逻辑器件与引脚即不接高电平，也不接低电平，电压不确定

   ②输入上拉（input pull-up）

将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，上拉电阻同时可起到限流作用，IO口的常态为高电平

 ③输入下拉（input pull-down）

把电压拉低到GND，IO口的常态为低电平

   ④模拟功能（analog）

关闭施密特触发器，将电压信号传送到片上外设模块，不接上下拉电阻

（2）4种输出模式

  ①带上拉或下拉的开漏输出（output open-drain） 

相当于三极管的集电极

                开漏输出只可以输出强低电平 ，高电平靠外部电阻拉高

                利用外部电路的驱动能力，减少IC（integrated circuit）内部的驱动。驱动电流从外部的VCC流出，IC内部仅需很小的栅极驱动电流

        ②带上拉或下拉的开漏复用功能（alternate function open-drain）

                可同时当作普通GPIO及内部外设（片上外设）控制器的引脚来使用

                I/O引脚通过一个复用器连接到板载外设，该复用器一次仅允许一个外设的复用功能（AF）连接到I/O引脚，确保共用同一个I/O引脚的外设之间不会发生冲突

        ③带上拉或下拉的推挽输出（output push-pull）

                推挽输出可输出强高低电平，连接数字器件。

                推挽结构一般指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是一个导通一个截止

                推挽电路是两个参数一样的三极管以推挽形式置于电路中，每次只有一个导通，导通功耗小、效率高。输出即可向负载灌电流，也可从负载抽取电流。因此可提高电路的负载能力以及开关速度。

        ④带上拉或下拉的推挽复用功能（alternate function push-pull）

               同②

        关于推挽输出和开漏输出可用图3来概括：


6ebd493549d90459cb6e7&690

  图3  左为推挽、右为开漏

（3）4种最大输出速度

  2MHz / 25MHz / 50MHz / 100MHz

（4）主要特性

受控 I/O 多达 16 个

        输出状态：推挽或开漏 + 上拉/下拉

        从输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) 或外设（复用功能输出）输出数据

        可为每个 I/O 选择不同的速度

        输入状态：浮空、上拉/下拉、模拟

        将数据输入到输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) 或外设（复用功能输入）

        置位和复位寄存器 (GPIOx_BSRR)，对 GPIOx_ODR 具有按位写权限

        锁定机制 (GPIOx_LCKR)，可冻结 I/O 配置

        模拟功能

        复用功能输入/输出选择寄存器（一个 I/O 最多可具有 16 个复用功能）

        快速翻转（toggle），每次翻转最快只需要两个时钟周期

        引脚复用非常灵活，允许将 I/O 引脚用作 GPIO 或多种外设功能中的一种

4.GPIO相关配置寄存器

每组IO口含下面10个寄存器，即10个寄存器可以控制一组GPIO的16个IO口。

        均为32位

        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)

                2 个 32 位复用功能选择寄存器（GPIOx_AFRH 和 GPIOx_AFRL）

三、GPIO的那一堆寄存器

1.端口模式寄存器 （GPIOx_MODER）

GPIO port mode register

MODER寄存器每2位控制一个IO。32个位控制一组IO的16个IO

        00：输入（复位状态）

        01：通用输出状态

        10：复用功能模式

        11：模拟模式

2.端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）

GPIO port output type register

位31-16保留，必须保持复位值。

        位15-0 端口x配置位，每位控制一个IO  0：输出推挽（复位状态）1：输出开漏

3.端口输出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR）

GPIO port output speed register

   每2位控制一个IO口。32位控制一组IO口的16个IO

        00：2MHz（低速）

        01：25MHz（中速）

        10：50MHz（快速）

        11：30pF时为100MHz（高速）【15pF时为80MHz（高速）】        皮法 (pF)

4.端口上拉/下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）

GPIO port pull-up/pull-down register

00：无上拉或下拉

        01：上拉

        10：下拉

        11：保留

5.端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）

GPIO port input data register

31：16保留，必须保持复位值

        15：0这些位为只读形式，只能在字模式下访问。它们包含相应I/O端口的输入值

6.端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）

GPIO port output data register

  31：16保留，必须保持复位值

        15：0  通过写入该寄存器，可分别对ODR位进行置位（1）和复位（0）

7.端口置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）

GPIO port bit set/reset register

31：16BRy：用于端口复位

                这些位为只写形式，只能在字、半字或字节模式下访问。读取这些位可返回值0x0000

                0：不会对相应的ODRx位执行任何操作

                1：对相应ODRx位进行复位

        15：0  BSy：用于端口置位

                这些位为只写形式，只能在字、半字或字节模式下访问。读取这些位可返回值0x0000

                0：不会对相应的ODRx位执行任何操作

                1：对相应ODRx位进行置位

        如果同时对BSx和BRx置位，则BSx的优先级更高

8.GPIO端口配置锁定寄存器 (GPIOx_LCKR) (x = A..I)

GPIO port configuration lock register

9.GPIO 复用功能低位寄存器 (GPIOx_AFRL) (x = A..I)

GPIO alternate function low register

   图4  引脚0到7所用复用器

31：0ADRLy：端口x位y的复用功能选择(Alternate function selection for port x bit y) (y = 0..7) 这些位通过软件写入，用于配置复用功能 I/O。AFRLy 选择：

0000： AF0
        0001： AF1
        0010： AF2
        0011： AF3
        0100： AF4
        0101： AF5
        0110： AF6
        0111： AF7
        1000： AF8
        1001： AF9
        1010： AF10
        1011： AF11
        1100： AF12
        1101： AF13
        1110： AF14
        1111： AF15

10.GPIO 复用功能高位寄存器 (GPIOx_AFRH) (x = A..I)

GPIO alternate function high register

  图5  引脚8到15所用复用器

功能同复用功能低位寄存器。

四、GPIO小实验：跑马灯

注：任何方式操作IO口，都必须先使能相应的IO口时钟

                go to defination的快捷键为F12

1.硬件

     GPIO：推挽输出（上拉）

2.库函数版(library function)：

（1）重要函数

        1个初始化函数：

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

                作用：初始化一个或者多个IO口（同一组）的工作模式，输出类型，速度以及上下拉方式。也就是一组IO口的4个配置寄存器。

                （GPIOx->MODER, GPIOx->OSPEEDR,GPIOx->OTYPER,GPIOx->PUPDR）

  2个读取输入电平函数：

 uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

                作用：读取某个GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。

                uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

                作用：读取某组GPIO的输入电平。实际操作的是GPIOx_IDR寄存器。
 2个读取输出电平函数：

  uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

                作用：读取某个GPIO的输出电平。实际操作的是GPIO_ODR寄存器。

                uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);

                作用：读取某组GPIO的输出电平。实际操作的是GPIO_ODR寄存器。

     4个设置输出电平函数：

     void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

                作用：设置某个IO口输出为高电平（1）。实际操作BSRRL寄存器

                void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

                作用：设置某个IO口输出为低电平（0）。实际操作的BSRRH寄存器。

                void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);

                void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

                这两个函数不常用，也是用来设置IO口输出电平。

 使能IO口时钟

 RCC_AHB1PeriphClockCmd();

（2）led.c

#include "led.h"
#include "stm32f4xx.h"
void LED_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //定义结构体
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF,ENABLE); //IO口时钟使能
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10; //对结构体进行赋值
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
    GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10); //置位
}

3.寄存器版(register)：

（1）RCC AHB1 外设时钟使能寄存器 (RCC_AHB1ENR)

 RCC(Reset Clock Controller)

        RCC AHB1 peripheral clock enable register

（2）led.c

#include "stm32f4xx.h"
 
void LED_Init(void)
{
    RCC->AHB1ENR|= 1<<5; //IO口时钟使能
    //PF9
    GPIOF->MODER &= ~(3<<2*9); //通用输出
    GPIOF->MODER |= 1<<(2*9);
    GPIOF->OSPEEDR &= ~(3<<2*9); //50MHz
    GPIOF->OSPEEDR |= 2<<(2*9);
    GPIOF->OTYPER &= ~(1<<9); //推挽
    GPIOF->OTYPER |= (0<<9);
    GPIOF->PUPDR &= ~(3<<2*9); //上拉
    GPIOF->PUPDR |= 1<<(2*9);
    GPIOF->ODR |= 1<<9; //高电平
    //PF10
    GPIOF->MODER &= ~(3<<2*10);
    GPIOF->MODER |= 1<<(2*10);
    GPIOF->OSPEEDR &= ~(3<<2*10);
    GPIOF->OSPEEDR |= 2<<(2*10);
    GPIOF->OTYPER &= ~(1<<10);
    GPIOF->OTYPER |= (0<<10);
    GPIOF->PUPDR &= ~(3<<2*10);
    GPIOF->PUPDR |= 1<<(2*10);
    GPIOF->ODR |= 1<<10;
}

4.位操作版（Bit-band operations）：

（1）位带操作

 位带别名区(Bit Band alias address)把每个比特膨胀成一个 32 位的字。当你通过位带别名区访问这些字时，就可以达到访问原始比特的目的。

（2）步骤

  使能IO口时钟，调用RCC_AHB1PeriphClockCmd();

        初始化IO口模式

        位带操作

（3）led.c

#include "stm32f4xx.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
 
int main(void)
{
    delay_init(168); //初始化延时函数
    LED_Init();
    while(1)
    {
        PFout(9) = 1; //PFout()为IO口操作宏定义
        PFout(10) = 1;
        delay_ms(500);
 
        PFout(9) = 0;
        PFout(10) = 0;
        delay_ms(500);
    }    
}

本文结束