STM32 GPIO寄存器的相關(guān)知識(shí)

一、前言

在之前的STM32的GPIO理論基礎(chǔ)知識(shí)中，分別對(duì)基本結(jié)構(gòu)和工作模式進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 GPIO基本結(jié)構(gòu)中主要對(duì)GPIO內(nèi)部的各個(gè)功能電路逐一的進(jìn)行的分析； GPIO工作模式中主要介紹GPIO應(yīng)用在不同的使用場(chǎng)景下，GPIO端口的靜態(tài)特征配置和動(dòng)態(tài)的工作模式，同時(shí)對(duì)信號(hào)的工作流進(jìn)行了分析。

這一篇主要對(duì)GPIO模塊使用到的寄存器進(jìn)行詳細(xì)的分析介紹，適當(dāng)了解GPIO寄存器的相關(guān)知識(shí)，可以對(duì)GPIO最底層的一些配置和工作原理有更好的認(rèn)識(shí)，有助于加深對(duì)GPIO基本結(jié)構(gòu)及工作模式的理解，同時(shí)對(duì)后續(xù)介紹到的GPIO在應(yīng)用設(shè)計(jì)中有較好的幫助。

二、寄存器概述

圖1為STM32的GPIO模塊中寄存器的概述，總共有5種類型的寄存器。 這里需要了解的是GPIO模塊的port和pin的概念。 其中寄存器名稱中GPIOx的x表示不同的GPIO端口port，比如STM32芯片支持的port可以從A到I，GPIOA，GPIOB就表示了不同的端口； pin就是不同的port下支持的引腳，比如GPIOA下的引腳數(shù)從pin0到pin15。 因此port就是pin的集合，不同的port都有它自己的如下圖列出來(lái)的寄存器。

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圖1 GPIO寄存器概述

三、寄存器詳述

本節(jié)對(duì)寄存器位、寄存器偏移地址、復(fù)位值、寄存器功能定義進(jìn)行介紹。 可通過(guò)字節(jié)（8 位）、半字（16 位）或字（32 位）對(duì) GPIO 寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。

（1）端口模式寄存器GPIOx_MODER

本寄存器的功能為設(shè)置GPIO端口的方向和模式，總共0到32位，每?jī)晌痪褪窃損ort下的pin值，例如將GPIOA_MODER的MODER0[1:0]配置為00，就是將GPIOA的pin0管腳功能配置為輸入類型的管腳，將GPIOA_MODER的MODER1[1:0]配置為00，就是將GPIOA的pin1管腳功能配置為輸入類型的管腳， 以此類推。

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圖2 GPIOx_MODER寄存器定義

（2）端口輸出類型寄存器GPIOx_OTYPER

本寄存器設(shè)置GPIO端口的輸出類型，前提是該端口中的pin已經(jīng)配置成輸出功能。 該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對(duì)應(yīng)的pin值，例如將GPIOA_OTYPER的OT0設(shè)置為1，就是將GPIOA的pin0管腳設(shè)置為輸出開漏的類型。

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圖3 GPIOx_OTYPER寄存器定義

（3）端口輸出速度寄存器GPIOx_OSPEEDR

本寄存器設(shè)置GPIO的輸出速度頻率，前提是該端口中的pin已經(jīng)應(yīng)用作為輸出功能管腳。

這個(gè)速度是指輸出驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度：（芯片內(nèi)部在I/O口的輸出部分安排了多個(gè)響應(yīng)速度不同的輸出驅(qū)動(dòng)電路，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)選擇速度來(lái)選擇不同的輸出驅(qū)動(dòng)模塊，達(dá)到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。 可理解為輸出驅(qū)動(dòng)電路的帶寬：即一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路可以不失真地通過(guò)信號(hào)的最大頻率。

速度高的IO耗電大、噪聲也大，速度低的IO耗電小、噪聲也小。 使用合適的速度可以降低功耗和噪聲。 高頻的驅(qū)動(dòng)電路，噪聲也高，當(dāng)不需要高的輸出頻率時(shí)，請(qǐng)選用低頻驅(qū)動(dòng)電路，這樣非常有利于提高系統(tǒng)的EMI性能，也可以降低功耗。 當(dāng)然如果要輸出較高頻率的信號(hào)，但卻選用了較低頻率的速度，很可能會(huì)得到失真的輸出信號(hào)。 關(guān)鍵是GPIO的引腳速度跟應(yīng)用匹配。

比如：

①USART串口，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就夠了，既省電也噪聲小。

②I2C接口，若使用400k波特率，若想把余量留大些，可以選用10M的GPIO引腳速度。

③SPI接口，若使用18M或9M波特率，需要選用50M的GPIO的引腳速度。

當(dāng)為該端口下寄存器值的pin配置為11時(shí)，輸出速度和電容C有關(guān)，這是指對(duì)于CMOS工藝的集成電路而言，輸入阻抗是非常高的，主要功耗來(lái)自于絕緣柵等效的電容充放電效應(yīng)。 既然是電容的充放電，考慮信號(hào)源的內(nèi)阻（基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路的輸出），根據(jù)RC充電常數(shù)和邏輯門限電平就能得出一個(gè)最小周期，其對(duì)應(yīng)一個(gè)最高IO頻率。

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圖4 GPIOx_OSPEEDR寄存器定義

（4）端口上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR

該寄存器是配置端口對(duì)應(yīng)的pin上是否需要配置芯片內(nèi)部的上拉或者下拉電阻。

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圖5 GPIOx_PUPDR寄存器定義

STM32芯片GPIO的上拉電阻和下拉電阻最小值，典型值和最大值如下：

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（5）端口輸入數(shù)據(jù)寄存器 GPIOx_IDR

本寄存器讀取GPIO端口引腳的信號(hào)電平值。 該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對(duì)應(yīng)的pin值，例如GPIOA_OTYPER的IDR00值為1，就是此時(shí)讀到GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號(hào)。

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圖6 GPIOx_IDR寄存器定義

（6）GPIO 端口輸出數(shù)據(jù)寄存器 GPIOx_ODR

本寄存器可以設(shè)置GPIO端口引腳的信號(hào)值。 前提是該引腳為普通的IO輸出引腳。 該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對(duì)應(yīng)的pin值，例如設(shè)置GPIOA_OTYPER的ODR0值為1，就是此時(shí)輸出GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號(hào)。

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圖7 GPIOx_ODR寄存器定義

（7）GPIO 端口置位/復(fù)位寄存器GPIOx_BSRR

本寄存器可以通過(guò)寫入GPIOx_BSRR寄存器值，可以對(duì)GPIOx_ODR的對(duì)應(yīng)位進(jìn)行置位和復(fù)位。 既然GPIOx_ODR 能控制管腳高低電平，為什么還需要GPIOx_BSRR寄存器？

原因是GPIOx_BSRR去改變管腳狀態(tài)的時(shí)候是原子操作置位/復(fù)位，沒有被中斷打斷的風(fēng)險(xiǎn)。 也就不需要關(guān)閉中斷，關(guān)閉中斷明顯會(huì)延遲或丟失一事件的捕獲，所以控制GPIO的狀態(tài)最好可以用GPIOx_BSRR。

該寄存器的0到15位為置位功能，16到31位為復(fù)位功能。 例如設(shè)置GPIOA_BSRR的BS0值為1，相當(dāng)于輸出GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號(hào)； 設(shè)置GPIOA_BSRR的BR0值為1，相當(dāng)于輸出GPIOA的pin0管腳值為0低電平信號(hào)。

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圖8 GPIOx_BSRR寄存器定義

（8）GPIO 端口配置鎖定寄存器GPIOx_LCKR

本寄存器用于鎖定當(dāng)前管腳的配置，可以保持管腳當(dāng)前的狀態(tài)，保護(hù)管腳不受干擾，要使用該寄存器，需要先激活“鎖定”功能。 當(dāng)執(zhí)行正確的寫序列設(shè)置了位16(LCKK)時(shí)，鎖定功能被激活，LCKK位的寫序列為：寫1 -> 寫0 -> 寫1 -> 讀0 -> 讀1。 最后一個(gè)讀可省略，但可以用來(lái)確認(rèn)鎖鍵已被激活。 被鎖定的管腳pin只有等到下次MCU復(fù)位才能被解鎖。

LCK0到LCK15為對(duì)應(yīng)的pin0到pin15的鎖定配置，當(dāng)需要鎖定對(duì)應(yīng)的管腳pin時(shí)，在執(zhí)行LCKK寫序列操作時(shí)，將對(duì)應(yīng)的LCK位寫1。

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圖9 GPIOx_LCKR寄存器定義

（9）GPIO 復(fù)用功能低位寄存器GPIOx_AFRL

本寄存器可以設(shè)置GPIO端口引腳的復(fù)用功能，比如將該引腳設(shè)置成USART或者SPI類型的功能管腳，本寄存器AFRL0 ~ AFRL7分別對(duì)應(yīng)引腳pin0~pin7，每個(gè)引腳又有4位可選，因此一個(gè)引腳可以在16中復(fù)用功能中選擇，例如將GPIOA_AFRL的AFRL0[3:0]= 0001，就是將GPIOA的pin0管腳應(yīng)用成第2種復(fù)用功能AF1。

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圖10 GPIOx_AFRL寄存器定義

（10）GPIO 復(fù)用功能高位寄存器GPIOx_AFRH

本寄存器可以設(shè)置GPIO端口引腳的復(fù)用功能，本寄存器AFRL0 ~ AFRL7分別對(duì)應(yīng)引腳pin0~pin7，功能上和復(fù)用功能低位寄存器GPIOx_AFRL一樣。

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圖11 GPIOx_AFRH寄存器定義

四、總結(jié)

本篇對(duì)STM32的GPIO對(duì)應(yīng)的寄存器分別進(jìn)行了介紹，了解了各個(gè)寄存器的功能和對(duì)應(yīng)寄存器位的定義可以更方便的去理解在實(shí)際使用GPIO時(shí)的配置功能，后續(xù)篇章將對(duì)GPIO在實(shí)際開發(fā)中的設(shè)計(jì)配置及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的分析。