STM32單片機(jī)的GPIO端口設(shè)置

1 寄存器問(wèn)題

首先要了解什么是寄存器？寄存器是中央處理器CPU內(nèi)用來(lái)暫存指令、數(shù)據(jù)和地址的存儲(chǔ)器，在所有應(yīng)用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行各種控制操作時(shí)，都是通過(guò)設(shè)置單片機(jī)的內(nèi)部寄存器來(lái)操作單片機(jī)的，其思想就是根據(jù)每塊內(nèi)存單元所具有功能的不同，給這些地址取一個(gè)別名，這個(gè)過(guò)程也叫作寄存器地址映射。在后面的發(fā)展過(guò)程中，為了減少直接操作寄存器，又增添了庫(kù)文件操作，以及后來(lái)的CubeMX中設(shè)置各種寄存器信息，但寄存器操作是單片機(jī)內(nèi)部基礎(chǔ)操作的方式，因此寄存器的操作是很有必要了解一下的。

圖1.1 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

1.1 單片機(jī)中的寄存器

單片機(jī)中有眾多寄存器，在實(shí)際單片機(jī)操作中應(yīng)熟練掌握的寄存器有程序狀態(tài)寄存器PSW，定時(shí)器方式控制寄存器TMOD，電源控制寄存器PCON，定時(shí)器控制寄存器TCOD，中斷允許寄存器IE，中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP，以及串行口控制寄存器SCON。

1.2 寄存器配置的常用方式

(1) 先將待設(shè)置位清0，再設(shè)置相應(yīng)的值（常用）。

(2) 先將寄存器的值讀出來(lái)，修改完成后，再寫進(jìn)寄存器。

1.3 寄存器地址

寄存器地址：保存當(dāng)前CPU所訪問(wèn)的內(nèi)存單元的地址。

基地址：Stm32的每個(gè)模塊都包含多個(gè)寄存器，這些寄存器地址通常是連續(xù)的，而第一個(gè)寄存器的地址（地址值最低的地址）就是基地址。

偏移地址：寄存器在本模塊中的地址偏移量。

絕對(duì)地址：絕對(duì)地址是寄存器的實(shí)際地址，它等于基地址+偏移地址。

圖1.2 GPIO寄存器地址

　　在寄存器設(shè)置中首先會(huì)用到結(jié)構(gòu)體，將操作GPIO的７個(gè)寄存器封裝進(jìn)一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，利用結(jié)構(gòu)體的特性，結(jié)構(gòu)體向內(nèi)存申請(qǐng)連續(xù)存儲(chǔ)空間，結(jié)構(gòu)體中的32位變量正好就占據(jù)4字節(jié)，如是16位的就占據(jù)2字節(jié)。

2 GPIO端口設(shè)置

GPIO：G：通用 P：端口即通用I/O(輸入/輸出)端口，是Stm32可控制的引腳。Stm32芯片的GPIO引腳與外部設(shè)備連接起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)與外部通訊、控制外部硬件或者采集外部硬件數(shù)據(jù)的功能。

圖2.1 寄存器與GPIO口的關(guān)系圖

2.1 GPIO端口位基本結(jié)構(gòu)

GPIO的內(nèi)部電路主要由一對(duì)保護(hù)二極管、受開關(guān)控制的上下拉電阻、TTL施密特觸發(fā)器 、兩個(gè)MOS管、輸入輸出數(shù)據(jù)寄存器、復(fù)位/置位寄存器、及一些讀寫控制邏輯電路等組成。注：施密特觸發(fā)器具有電壓滯后的特性，利用它對(duì)脈沖波形進(jìn)行整形，使波形的上升沿或下降沿變得陡直。

圖2.2 GPIO基本電路圖

2.2 GPIO端口位的工作模式

2.2.1 輸入模式

　　輸入模式IO引腳用于讀取外部狀態(tài)，如判斷外部按鍵的狀態(tài)，接收外部各種傳感器的信號(hào)等。

（1）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入（即不連接內(nèi)部上下拉電阻）

（2）GPIO_Mode_IPU 上拉輸入

（3）GPIO_Mode_IPD 下拉輸入

（4）GPIO_Mode_AIN 模擬輸入

圖2.3 輸入模式電路圖

2.2.2 輸出模式

　　輸出模式IO引腳用于控制外部電路工作，如外部的LED的閃爍，LCD1602的顯示等。

（5）GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出（帶上拉或者下拉）

（6）GPIO_Mode_AF_OD 復(fù)用開漏輸出（帶上拉或者下拉）

（7）GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出（帶上拉或者下拉）

（8）GPIO_Mode_AF_PP 復(fù)用推挽輸出（帶上拉或者下拉）

圖2.4 輸出模式電路圖

2.2.3 復(fù)用模式

　　復(fù)用模式IO引腳用于如定時(shí)器的PWM信號(hào)的輸入輸出引腳及串口的輸入輸出引腳等。

圖2.5 復(fù)用模式電路圖

2.2.4 AD/DA模擬信號(hào)輸入輸出模式

　　模擬信號(hào)輸出輸出模式IO引腳應(yīng)用于輸入模擬信號(hào)便于進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路。

圖2.6 高阻抗模擬輸入模式

3 GPIO端口工作模式設(shè)置

3.1 端口配置數(shù)據(jù)設(shè)置

IO引腳的工作模式的設(shè)置通過(guò)模式選擇寄存器GPIOx_MODER來(lái)完成，GPIO中的每一個(gè)引腳的功能都由兩個(gè)位控制，CNF0[1:0]與MODE0[1:0]配置序號(hào)為0的引腳，后面的引腳依次類推，一組IO口有16個(gè)引腳，故需要64bit來(lái)配置一組端口，在Stm32中利用兩個(gè)32位寄存器高位CRH與低位CRL寄存器控制GPIO。其中每一個(gè)IO口都是由7個(gè)寄存器來(lái)控制（CRH、CRL、IDR、ODR、BRR、BSRR、LCKR）[1]。

圖3.1GPIO寄存器簡(jiǎn)介

圖3.2 GPIO端口配置低位寄存器表

　　通過(guò)軟件來(lái)設(shè)置相應(yīng)的端口時(shí)，就需要參考GPIO配置寄存器表，如在輸入模式（MODE[1:0]=00), 輸出模式（MODE[1:0]>00),輸入輸出確定后在CNF[1:0]中確定輸出輸入的模式（8種）。

圖3.3 輸入輸出配置圖

例：
//使能PORTA時(shí)鐘
 　　RCC- >APB2ENR|=1< 2;    
//將GPIOA的PA13位清零
    GPIOA- >CRH&=0XFF0FFFFF;   
//首先PA13位為8（二進(jìn)制1000）MODE位為00，因此是輸入，
//ＣＮＦ位為10，即為上拉/下拉輸入
    GPIOA- >CRH|=0X00800000; //PA13設(shè)置成上拉/下拉輸入 
//PA13輸出為高    
    GPIOA- >ODR|=1< 13;

3.2 輸入輸出端口設(shè)置

　　控制GPIO的寄存器已經(jīng)在3.1介紹過(guò)了，現(xiàn)主要介紹一下輸入輸出的端口寄存器。

（1）端口輸入寄存器IDR

圖3.4 寄存器IDR配置表

（2）端口輸出寄存器ODR

圖3.5 寄存器IDR配置表

4 推挽電路與開漏電路

4.1 推挽電路

推挽電路由輸入部分、輸出部分、NPN型三極管及PNP型三極管組成，通過(guò)輸入電壓的正負(fù)來(lái)控制電路中的三極管來(lái)達(dá)到推挽的效果[2]。

圖4.1 推挽電路原理圖

4.1.1 推電路

當(dāng)Vin端電壓為V+時(shí)，上面的N型三極管Q3導(dǎo)通，下面的P型三極管阻塞，電流通過(guò)Q3給負(fù)載供電，這樣的電路就叫推push電路。

圖4.2 推電路原理圖

4.1.2 挽電路

挽電路同理，即當(dāng)Vin端電壓為V-時(shí)，P型三極管Q4導(dǎo)通，電流通過(guò)負(fù)載從下往上流去，這就叫挽pull。

圖4.3 挽電路原理圖

推挽電路的優(yōu)缺點(diǎn)：由于電路在工作時(shí)，兩個(gè)對(duì)稱開關(guān)三極管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通時(shí)的損耗較小，且效率高。輸出即可以向負(fù)載灌電流，也可從負(fù)載抽取電流，推拉式輸出級(jí)即提高電路的負(fù)載能力，又提高開關(guān)速度。

4.2 開漏電路

場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型元器件，當(dāng)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極施加電壓時(shí)，漏極與源極會(huì)導(dǎo)通。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有一個(gè)特性就是它的輸入阻抗非常大，這意味著：沒(méi)有電流從控制電路流出，也沒(méi)有電流進(jìn)入控制電路。沒(méi)有電流流入或流出，就不會(huì)燒壞控制電路。

圖4.4 N型場(chǎng)效應(yīng)管

開漏電路(Open-Drain)就是將圖4.5中的三極管換為場(chǎng)效應(yīng)管，利用柵極的輸入來(lái)達(dá)到控制LED燈的亮滅，即當(dāng)柵極有電流時(shí)，Q5導(dǎo)通及電流不會(huì)流入LED燈，所以LED燈滅，當(dāng)柵極無(wú)電流時(shí)，Q5斷開，LED燈亮。

圖4.5 開漏電路原理圖

開漏電路可以利用外部電路的驅(qū)動(dòng)能力，減少cpu內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)，且開漏輸出提供了靈活的輸出方式，但當(dāng)上升沿通過(guò)外接上拉無(wú)源電阻對(duì)負(fù)載充電，即當(dāng)電阻選擇小時(shí)延時(shí)小，但功耗大，反之亦然。

5 GPIO端口輸出功能配置步驟及涉及的寄存器

在Stm32單片機(jī)由內(nèi)核和各種電路模塊組成，如通用模塊中的GPIO模塊、串行外設(shè)接口SPI、同步/異步串口接口、定時(shí)器等電路模塊，Stm32單片機(jī)通過(guò)對(duì)各種外設(shè)的寄存器進(jìn)行操作達(dá)到操作外設(shè)的目的。

5.1 GPIO的配置流程

使能端口時(shí)鐘，使用前先使能對(duì)應(yīng)模塊的時(shí)鐘；

配置端口位的工作模式寄存器；

配置電路驅(qū)動(dòng)類型寄存器，如推挽還是開漏；

配置引腳響應(yīng)速度寄存器；

配置上下拉電阻設(shè)置寄存器；

配置輸出數(shù)據(jù)寄存器；

5.2 GPIO點(diǎn)亮LED燈的配置流程

void LED_init9(void)
{
//我的stm32板中的兩個(gè)LED燈在GPIO的A和D組中,在USART1中.
//首先先使能端口APB2,USART1掛載在APB2通道上

  RCC- >APB2ENR|=1< 2;    //使能PORTA時(shí)鐘        
  RCC- >APB2ENR|=1< 5;    //使能PORTD時(shí)鐘  

//設(shè)置GPIOA的8號(hào)引腳，8號(hào)引腳屬于高位因此對(duì)CRH寄存器進(jìn)行操作
//再設(shè)置ODR寄存器，對(duì)端口的輸出電壓高低進(jìn)行設(shè)置

  GPIOA- >CRH&=0XFFFFFFF0; //清除bit位
  GPIOA- >CRH|=0X00000003;//PA8 推挽輸出  最大輸出速度    
    GPIOA- >ODR|=1< 8;      //PA8 輸出高，即將端口的輸出電平設(shè)置高電平

//與GPIOA同理                        
  GPIOD- >CRL&=0XFFFFF0FF;
  GPIOD- >CRL|=0X00000300;//PD.2推挽輸出
  GPIOD- >ODR|=1< 2;      //PD.2輸出高 
}