STM32标准库——（2）GPIO输出

1.GPIO简介

• GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口
• 可配置为8种输入输出模式
• 引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V
• 输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等
• 输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等

每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)，两个32位数据寄存器
(GPIOx_IDR和GPIOx_ODR)，一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)，一个16位复位寄存
器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。
根据数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征，GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成
多种模式。

• ─ 输入浮空
• ─ 输入上拉
• ─ 输入下拉
• ─ 模拟输入
• ─ 开漏输出
• ─ 推挽式输出
• ─ 推挽式复用功能
• ─ 开漏复用功能

每个I/O端口位可以自由编程，然而必须按照32位字访问I/O端口寄存器(不允许半字或字节访
问)。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器进行读/更改的独立访问；这
样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。

2.GPIO结构

2.1 GPIO基本结构

• 寄存器是一段特殊的存储器 内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写 这样就可以完成输出电平和读取电平的功能 寄存器的每一位对应一个引脚 其中输出寄存器写1 对应的引脚就会输出高电平 写0 就输出低电平 输入寄存器读取为1 就证明对应的端口目前是高电平 读取为0 就是低电平 由于STM32是32位的单片机 所以STM32内部的寄存器是32位的 如图可以看到 这个端口只有16位 所以这个寄存器只有低16位对应的有端口 高16位是没有用到的
• 驱动器是用来增加信号的驱动能力的 寄存器只负责存储数据 如果要进行点灯这样的操作 还是需要驱动器来负责增大驱动能力

2.2 GPIO系统结构

在STM32中 所有的GPIO都是挂载在APB2外设总线上的

2.3 GPIO位结构

IO端口位的基本结构

5伏兼容I/O端口位的基本结构

1. 保护二极管：对输入电压进行限幅 上面二极管接VDD(3.3V) 下面接VSS(0V) 如果输入电压比3.3V还要高 那上方二极管就会导通 输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路 这样就可以避免过高的电压对内部这些电路产生伤害 如果输入电压比0V还要低 那下方二极管会导通 电流会从VSS直接流出去 而不会从内部电路汲取电路 也是可以保护内部电路的 如果输入电压在0~3.3V之间 那两个二极管均不会导通 这时二极管对电路没有影响 这就是保护二极管的用途
2. 上面导通下面断开 就是上拉输入模式 下面导通上面断开 就是下拉输入模式 两个都断开 就是浮空输入模式（引脚的输入电平极易受到外界干扰而改变） 接入上拉电阻 当引脚悬空时 还有上拉电阻来保证引脚的高电平 所以上拉输入又可以称作是默认为高电平的输入模式 下拉也同理 就是默认为低电平的输入模式
3. 模拟输入：连接到ADC上 因为ADC需要接收模拟量 所以这跟线是接到肖特基触发器前面的
4. 复用功能输入：连接到其他需要读取端口的外设上的 比如串口的输入引脚等 这根线接收的是数字量 所以在肖特基触发器后面
5. 输入数据寄存器：用程序读取输入数据寄存器某一位的数据 就可以知道端口的输入电平
6. 输出数据寄存器：普通的IO口输出 写这个数据寄存器的某一位就可以操作对应的某个端口
7. 位设置/清楚寄存器：用来单独操作输出数据寄存器的某一位 而不影响其他位 （库函数所使用的方法）
8. ?因为输出数据寄存器同时控制16个端口 并且这个寄存器只能整体读写 所以如果想单独控制其中某一个端口而不影响其他端口的话 就需要一些特殊的操作模式 第一种方式是先读出这个寄存器 然后用按位与、按位或的方式更改某一位 最后再将更改后的数据写回去 在C语言中就是&=和|=的操作 该方法比较麻烦 效率不高 对于IO口的操作而言不太合适 第二种就是通过设置这个位设置/位清除寄存器 如果我们对某一位进行置1操作 在位设置寄存器的对应位写1即可 剩下不需要操作的写0 这样它内部就会有电路 自动将输出数据寄存器中对应位置为1 而剩下写0的位则保持不变 这样就保证了只操作其中某一位而不影响其他位 并且这是一步到位的操作 如果想对某一位进行清0操作 就在位清除寄存器的对应位写1即可 这样内部电路就会把这一位清0 第三种是读写STM32中的”位带“区域 位带作用跟51单片机的位寻址作用差不多 在STM32中 专门分配的有一段地域区域 这段地址映射了RAM和外设寄存器所有的位 读写这段地址中的数据 就相当于读写所映射位置的某一位
9. MOS管是一种电子开关 信号来控制开关的导通和关闭 开关负责将IO口接到VDD或者VSS 在这里可以选择推挽、开漏或关闭三种输出方式 推挽输出模式：P-MOS和N-MOS均有效 数据寄存器为1时 上管导通 下管断开 输出直接接到VDD 就是输出高电平 数据寄存器为0时 上管断开 下管导通 输出直接接到VSS 就是输出低电平 该模式下 高低电平均有较强的驱动能力 所以推挽输出模式也可以叫做强推输出模式 同时STM32对IO口有绝对的控制权 高低电平都有STM说了算 开漏输出模式：P-MOS无效 只有N-MOS在工作 数据寄存器为1 下管断开 这时输出相当于断开 也就是高阻模式 数据寄存器为0时 下管导通 输出直接接到VSS 也就是输出低电平 这种模式下 只有低电平有驱动能力 高电平是没有驱动能力的 该模式可以作为通信协议的驱动方式 比如I2C通信的引脚 就是使用的开漏模式 在多机通信的情况下 这个模式可以避免各个设备的相互干扰 另外开漏模式还可以使用输出5V的电平信号 比如在IO口外接一个上拉电阻到5V的电源 当输出低电平时 由内部的N-MOS直接接到VSS 当输出高电平时 由外部的上拉电阻拉高至5V 这样就可以输出5V的电平信号 用于兼容一些5V电平的设备 关闭模式：当引脚配置为输入模式的时候 两个MOS管都无效 也就是输出关闭 端口的电平由外部信号来控制

3.GPIO模式

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式：

端口配置

输出模式位

3.1 浮空输入

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。所以在要读取外部信号时通常配置IO口为浮空输入模式。

3.2 上拉输入

上拉输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在高电平；并且在I/O端口输入为低电平的时候，输入端的电平为低电平。

3.3 下拉输入

下拉输入模式下，IO口工作方式刚好和上拉模式相反。I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空（在无信号输入）的情况下，输入端的电平可以保持在低电平；并且在I/O端口输入为高电平的时候，输入端为高电平。

3.4 模拟输入

模拟输入模式下，I/O端口的模拟信号（电压信号，而非电平信号）直接模拟输入到片上外设模块，比如ADC模块等等。（除了模拟输入这个模式会关闭数字的输入功能 在其他7个模式中 所有的输入都是有效的）

3.5 开漏输出

开漏输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，控制MOS管的导通。这里要注意N-MOS管，当设置输出的值为高电平的时候，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定；当设置输出的值为低电平的时候，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就是低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，I/O端口的电平不一定是输出的电平。通常使用开漏输出时外部要加一个上拉电阻。

3.6 开漏复用输出

开漏复用输出模式，与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

3.7 推挽输出

推挽输出模式下，通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值，控制P-MOS管和N-MOS管的导通来控制IO口输出高电平还是低电平。这里要注意P-MOS管和N-MOS管，当设置输出的值为1的时候，P-MOS管处于开启状态，N-MOS管处于关闭状态，此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定为高电平；当设置输出的值为0的时候，P-MOS管处于关闭状态，N-MOS管处于开启状态，此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定为低电平。同时，I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取；注意，此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

3.8 推挽复用输出

推挽复用输出模式，与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源，不是让CPU直接写输出数据寄存器，取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

4.LED和蜂鸣器简介

• LED：发光二极管，正向通电点亮，反向通电不亮
• 有源蜂鸣器：内部自带振荡源，将正负极接上直流电压即可持续发声，频率固定
• 无源蜂鸣器：内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音

硬件电路

• PA0输出低电平时 LED两端产生电压差 形成正向导通电流 LED会被点亮 PA0输出高电平时 LED两端都是3.3V的电压 不会形成电流 所以高电平LED就是熄灭（下面与之相反）
• 限流电阻作用：防止LED因为电流过大而烧毁 也可以调整LED的亮度

5.面包板

面包板概述

面包板使用示例