GPIO详细介绍

一.GPIO是什么

GPIO = 单片机通用引脚，用来输出高低电平、读取外部电平，是单片机和硬件交互最基础的通道。

二. 输入输出模式

2.1、 输入类（4 种）

浮空输入 ：引脚无上下拉，悬空时电平随机，仅适合外部自带驱动的信号。

上拉输入 ：内部接上拉电阻，默认高电平，按键检测最常用。

下拉输入 ：内部接下拉电阻，默认低电平。

图1 上拉输入/下拉输入(两个差不多只是上电默认电平不同)

模拟输入 ：关闭数字电路，专供 ADC 电压采集，不能做普通 IO。

图2 模拟输入

2.2、通用输出类（2 种）

推挽输出：高低电平都能驱动，驱动 LED、指示灯首选。

D:漏极 G:栅极 S:源极

N-MOS（下管）：栅极电压 > 源极电压（Source接地，即0V）时导通。也就是说，给栅极高电平(1，如3.3V)，NMOS就导通。

PMOS（上管）：栅极电压<源极电压（Source接VDD，即3.3V）时导通。也就是说，必须给栅极低电平(0,如0V)，PMOS才导通。下面两个分别是推挽模式写入高低电平的电流走向图：

图3 推挽输出 置1

图4 推挽输出 置0

为什么电平到输出控制那里变成相反的电平了，因为输出控制那个位置串联着一个反相器(非门)所以变成相反的电平了

开漏输出：只能主动拉低，高电平需要外部上拉，多用于总线通讯。

在开漏输出模式中P-MOS是不工作的，N-MOS又只能输出低电平，在写入1(高电平)时VG==VS,N-MOS管截止，这个时候I/O口属于高阻态的状态，想要输出高电平必须要自己外接上拉电阻。

高阻态（High-Z）：这是引脚内部驱动器的状态。指的是芯片内部的 N-MOS 和 P-MOS 全部截止（关闭），导致引脚内部与 VDD 和 VSS 完全断开。这是个“电路动作”，描述的是“芯片有没有在干活”。

为什么非要“外接”而不用内部的？
因为内部上拉电阻阻值太大（40kΩ），驱动能力极弱。在 I2C 高速通信（400kHz 或更快）时，这么大的电阻加上线路寄生电容，会导致上升沿极其缓慢（波形变“钝”），造成通信时序错乱。
所以，外部上拉电阻通常选用 2kΩ ~ 10kΩ（阻值越小，上升沿越快，但功耗越大）。这在硬件电路设计时是必须外挂的元器件。下面是开漏输出的写入低电平的电流走向图：

图5 开漏输出

2.3、复用外设输出类（2 种）

复用推挽输出：引脚分配给串口、定时器 PWM 等外设，推挽驱动。

复用推挽、复用开漏的 MOS 驱动电路结构和普通推挽 / 开漏完全一致，区别仅在于驱动信号来源不同：普通模式由 CPU 写输出寄存器控制，复用模式由片上外设直接输出信号控制，软件寄存器不再干预引脚电平。下面是复用推挽输出的写入高电平的电流走向图：

图6 复用推挽输出

复用开漏输出：外设复用 + 开漏，典型用于 I2C 总线。

三、编写驱动程序

3.1、介绍部分寄存器(GPIO、RCC)

3.1.1、APB2 外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR)

它是挂载在APB2总线上的所有外设（GPIO、USART1、ADC1等）的“总电闸”——复位后默认全部关闭，使用前必须通过该寄存器把对应位置1打开时钟。

3.1.2、端口配置低寄存器(GPIOx_CRL) (x=A..E)

它用 4 个位（共 32 位）控制一个引脚，同时决定了该引脚是输入/输出、输出速度、以及推挽/开漏/复用/模拟等具体模式。这是配置该GPIO的低8位引脚

高两位CNFy[1:0],低二位MODEy[1:0]

3.1.3、端口配置高寄存器(GPIOx_CRH) (x=A..E)

3.2、STM32编程

我们今天的任务是使用STM32F103C8T6最小系统板，点亮一个led灯让其进行闪烁，在原理图上led灯连接的是PC13低电平点亮,所以我们控制PC13一直产生一个高低电平即可

3.2.1、寄存器编程

先找到外设基地址，打开STM32f10x-中文参考手册，在储存器映射这里最下面就是外设基地址也是APB1的基地址

直接写在代码里面

/*片上外设基地址 */ #define PERIPH_BASE ((unsigned int)0x40000000) #define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE

一下是APB2和AHB的基地址，AHB原本应该用0x40018000的我们这边为了方便使用0x40020000

/*APB2 总线基地址 */ #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE+0x10000) /* AHB总线基地址 */ #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE+0x20000)

找到GPIOC的外设基地址

/*GPIOC外设基地址*/ #define GPIOC_BASE (APB2PERIPH_BASE + 0x1000)

GPIO的寄存器我们只使用到了GPIOC_CRH,GPIOC_ODR,直接用宏定义#define定义用GPIOC的外设基地址加上我们要使用到的寄存器的偏移地址就可以了

/* GPIOC寄存器地址,强制转换成指针 */ #define GPIOC_CRH *(unsigned int *)(GPIOC_BASE + 0x04) #define GPIOC_ODR *(unsigned int *)(GPIOC_BASE + 0x0C)

除了以上的几个寄存器还是不够的，我们还需要启动该GPIO的时钟

因为RCC是在AHB上面，所以我们用AHB的基地址加上RCC的基地址，然后再加RCC_APB2ENR

寄存器的偏移地址就可以了

(unsigned int *)：强制转换成无符号32位的指针类型

*：解引用(找到地址里的数据)

/*RCC外设基地址*/ #define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE + 0x1000) /*RCC的AHB1时钟使能寄存器地址,强制转换成指针*/ #define RCC_APB2ENR *(unsigned int *)(RCC_BASE + 0x18)

主函数文件夹

#include "stm32f10x.h" void Delay(unsigned int us) { for(volatile unsigned int y = 0;y < us;y++) { ; } } /** * 主函数 */ int main(void) { // 开启GPIOC 端口时钟 RCC_APB2ENR |= (1<<4); //先清空控制PC13的端口位 GPIOC_CRH &= ~( 0x0F<< (4*5));//~( 0x0F<< (4*5)) == 1111 1111 0000 1111 | 1111 1111 1111 1111 // 然后再配置PC13为通用推挽输出，速度为10M GPIOC_CRH |= (0x01<<4*5); // PC13 输出 低电平 GPIOC_ODR &= ~(1<<13); while(1) { // PC13 输出 高电平 GPIOC_ODR |= (1<<13); //直接操控ODR来置位/清零可能会被中断打断不安全 //可以用下面这这两个寄存器来做置位/清零 //GPIOC_BSRR = (1 << 13); // 高电平 //GPIOC_BRR = (1 << 13); // 低电平 (F10x 专用) // //延时 Delay(0xffff); // P13 输出 低电平 GPIOC_ODR &= ~(1<<13); //延时 Delay(0xffff); } } // 函数为空，目的是为了骗过编译器不报错 void SystemInit(void) { ; }

3.2.2、标准库操作

#include "stm32f10x.h" // Device header //延时 void Delay(unsigned int us) { for(volatile unsigned int y = 0;y < us;y++) { ; } } int main(void) { //启动GPIOC的时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); //创建一个GPIO的初始化结构体 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //使用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //使用PC13 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13; //速度配置为50MHz GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //以上程序还没有写入GPIOC的寄存器的 //GPIO_Init将刚刚配置的全部写到寄存器 GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); while (1) { //PC13置零 GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); //延时 Delay(0xffff); //PC13置零 GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); //延时 Delay(0xffff); } }

上面大部分图片来源为《STM32F10x-中文参考手册》

如果你觉得有帮助，欢迎点赞、收藏、评论，让更多人看到！