第5章

STM32 GPIO






本章讲述STM32 GPIO，包括STM32 GPIO接口概述、STM32 GPIO功能、STM32的GPIO常用库函数、
STM32的GPIO使用流程、STM32 GPIO输出应用实例和STM32 GPIO输入应用实例。

5.1STM32 GPIO接口概述


General Purpose Input Output(通用输入输出，GPIO)接口的功能是让嵌入式处理器能够通过软件灵活地读出或控制单个物理引脚上的高、低电平，实现内核和外部系统之间的信息交换。GPIO是嵌入式处理器使用最多的外设，能够充分利用其通用性和灵活性，是嵌入式开发者必须掌握的重要技能。作为输入时，GPIO可以接收来自外部的开关量信号、脉冲信号等，如来自键盘、拨码开关的信号； 作为输出时，GPIO可以将内部的数据传输给外部设备或模块，如输出到LED、数码管、控制继电器等。另外，理论上讲，当嵌入式处理器上没有足够的外设时，可以通过软件控制GPIO模拟UART、SPI、I2C、FSMC等各种外设的功能。


正是因为GPIO作为外设具有无与伦比的重要性，除特殊功能的引脚外，STM32所有引脚都可以作为GPIO使用。以常见的LQFP144封装的STM32F407ZGT6为例，有112个引脚可以作为双向I/O使用。为便于使用和记忆，STM32将它们分配到不同的“组”中，在每个组中再对其进行编号。具体来讲，每个组称为一个端口，端口号通常以大写字母命名，从A开始，依次简写为PA、PB、PC等。每个端口最多有16个GPIO，软件既可以读写单个GPIO，也可以通过指令一次读写端口中全部16个GPIO。每个端口内部的16个GPIO又被分别标以0~15的编号，从而可以通过PA0、PB5或PC10等方式指代单个GPIO。以STM32F407ZGT6为例，它共有7个端口(PA、PB、PC、PD、PE、PF和PG)，每个端口有16个GPIO，共7×16＝112个GPIO。

绝大多数嵌入式系统应用都涉及开关量的输入和输出功能，如状态指示、报警输出、继电器闭合和断开、按钮状态读入、开关量报警信息的输入等。这些开关量的输入和控制输出都可以通过GPIO实现。


GPIO的每个位都可以由软件分别配置成以下模式。


(1) 输入浮空。浮空(Floating)就是逻辑器件的输入引脚既不接高电平，也不接低电平。由于逻辑器件的内部结构，当输入引脚浮空时，相当于该引脚接了高电平。一般实际运用时，不建议引脚浮空，易受干扰。


(2) 输入上拉。上拉就是把电压拉高，如拉到VCC。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平。电阻同时起限流作用。弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。


(3) 输入下拉。下拉就是把电压拉低到GND。与上拉原理相似。


(4) 模拟输入。模拟输入是指传统方式的模拟量输入。数字输入是输入数字信号，即0和1的二进制数字信号。


(5) 具有上拉/下拉功能的开漏输出模式。输出端相当于三极管的集电极。要得到高电平状态，需要上拉电阻才行。
该模式适合做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对较强(一般在20mA以内)。


(6) 具有上拉/下拉功能的推挽输出模式。可以输出高低电平，连接数字器件。推挽结构一般是指两个三极管分别受两个互补信号的控制，总是在一个三极管导通时另一个截止。 


(7) 具有上拉/下拉功能的复用功能推挽模式。复用功能可以理解为GPIO被用作第二功能时的配置情况(即并非作为通用I/O接口使用)。STM32 GPIO
的复用功能推挽
模式中输出使能、输出速度可配置。这种复用模式可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号是源于其他外设的，这时的输出数据寄存器 GPIOx_ODR 是无效的； 而且输入可用，通过输入数据寄存器可获取 I/O 接口实际状态，但一般直接用外设的寄存器获取该数据信号。


(8) 具有上拉/下拉功能的复用功能开漏模式。复用功能可以理解为GPIO接口被用作第二功能时的配置情况(即并非作为通用I/O接口使用)。每个I/O接口可以自由编程，而I/O接口寄存器必须按32位字访问(不允许半字或字节访问)。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器的读/更改的独立访问，这样，在读和更改访问之间产生中断(IRQ)时不会发生危险。


每个GPIO端口包括4个32位配置寄存器(GPIOx_MODER、GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR和GPIOx_PUPDR)、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32位配置锁存寄存器(GPIOx_LCKR)和两个32位复用功能选择寄存器(GPIOx_AFRH和GPIOx_AFRL)。应用程序通过对这些寄存器的操作实现GPIO的配置和应用。

一个I/O接口的基本结构如图51所示。



图51一个I/O接口的基本结构



STM32的GPIO资源非常丰富，包括26、37、51、80、112个多功能双向5V兼容的快速I/O接口，而且所有I/O接口可以映射到16个外部中断，对于STM32的学习，应该从最基本的GPIO开始。


GPIO的每个位可以由软件分别配置成多种模式。
常用的I/O接口寄存器只有4个： CRL、CRH、IDR、ODR。CRL和CRH寄存器控制每个I/O接口的模式及输出速率。


每个GPIO引脚都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或复用的外设功能端口。多数GPIO引脚都与数字或模拟的复用外设共用。除了具有模拟输入功能的端口，所有GPIO引脚都有大电流通过能力。


根据数据手册中列出的每个I/O接口的特定硬件特征，GPIO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。

5.1.1输入通道


输入通道包括输入数据寄存器和输入驱动器。在接近I/O引脚处连接了两只保护二极管，假设保护二极管的导通电压降为Vd，则输入输入驱动器的信号电压范围被钳位在


VSS-Vd<Vin<VDD+Vd



由于Vd的导通压降不会超过0.7V，若电源电压VDD为3.3V，则输入输入驱动器的信号最低不会低于-0.7V，最高不会高于4V，起到了保护作用。在实际工程设计中，一般都将输入信号尽可能调理到0~3.3V，也就是说，一般情况下，两只保护二极管都不会导通，输入驱动器中包括了两只电阻，分别通过开关接电源VDD(该电阻称为上拉电阻)和地VSS(该电阻称为下拉电阻)。开关受软件的控制，用来设置当I/O接口位用作输入时，选择使用上拉电阻或下拉电阻。


输入驱动器中的另一个部件是TTL施密特触发器，当I/O接口位用于开关量输入或复用功能输入时，TTL施密特触发器用于对输入波形进行整形。


GPIO的输入驱动器主要由TTL肖特基触发器、带开关的上拉电阻电路和带开关的下拉电阻电路组成。值得注意的是，与输出驱动器不同，GPIO的输入驱动器没有多路选择开关，输入信号送到GPIO输入数据寄存器的同时也送给片上外设，所以GPIO的输入没有复用功能选项。

根据TTL 肖特基触发器、上拉电阻端和下拉电阻端两个开关的状态，GPIO的输入可分为以下4种。


(1)  模拟输入： TTL肖特基触发器关闭。

(2)  上拉输入： GPIO内置上拉电阻，此时GPIO内部上拉电阻端的开关闭合，GPIO内部下拉电阻端的开关打开。该模式下，引脚在默认情况下输入为高电平。

(3) 下拉输入： GPIO内置下拉电阻，此时GPIO内部下拉电阻端的开关闭合，GPIO内部上拉电阻端的开关打开。该模式下，引脚在默认情况下输入为低电平。

(4)  浮空输入： GPIO内部既无上拉电阻，也无下拉电阻，此时GPIO内部上拉电阻端和下拉电阻端的开关都处于打开状态。该模式下，引脚在默认情况下为高阻态(即浮空)，其电平高低完全由外部电路决定。

5.1.2输出通道

输出通道包括位设置/清除寄存器、输出数据寄存器、输出驱动器。


要输出的开关量数据首先写入位设置/清除寄存器，通过读写命令进入输出数据寄存器，然后进入输出驱动的输出控制模块。输出控制模块可以接收开关量的输出和复用功能输出。输出的信号通过由PMOS和NMOS场效应管电路输出到引脚。通过软件设置，由PMOS和NMOS场效应管电路可以构成推挽、开漏或关闭模式。


GPIO的输出驱动器主要由多路选择器、输出控制逻辑和一对互补的MOS管组成。


多路选择器根据用户设置决定该引脚是GPIO普通输出还是复用功能输出。


（1）  普通输出： 该引脚的输出来自GPIO的输出数据寄存器。

（2）  复用功能(Alternate Function，AF)输出： 该引脚的输出来自片上外设，并且一个STM32微控制器引脚输出可能来自多个不同外设，即一个引脚可以对应多个复用功能输出。但同一时刻，一个引脚只能使用这些复用功能中的一个，而这个引脚对应的其他复用功能都处于禁止状态。


输出控制逻辑根据用户设置通过控制PMOS管和NMOS管的状态(导通/关闭)决定GPIO输出模式(推挽、开漏或关闭)。


（1）  推挽(PushPull，PP)输出： 可以输出高电平和低电平。当内部输出1时，PMOS管导通，NMOS管截止，外部输出高电平(输出电压等于VDD)； 当内部输出0时，NMOS管导通，PMOS管截止，外部输出低电平(输出电压为0)。


由此可见，相比于普通输出方式，推挽输出既提高了负载能力，又提高了开关速度，适于输出0和VDD的场合。


（2）  开漏(OpenDrain，OD)输出： 与推挽输出相比，开漏输出中连接VDD的PMOS管始终处于截止状态。这种情况与三极管的集电极开路非常类似。在开漏输出模式下，当内部输出0时，NMOS管导通，外部输出低电平(输出电压
为0V)； 当内部输出1时，NMOS管截止，由于此时PMOS管也处于截止状态，外部输出既不是高电平，也是不是低电平，而是高阻态(浮空)。如果想要外部输出高电平，必须在I/O引脚外接一个上拉电阻。


这样，通过开漏输出，可以提供灵活的电平输出方式——改变外接上拉电源的电压，便可以改变传输电平电压的高低。例如，如果STM32微控制器想要输出5V高电平，只需要在外部接一个上拉电阻且上拉电源为5V，并把STM32微控制器上对应的I/O引脚设置为开漏输出模式，当内部输出1时，由上拉电阻和上拉电源向外输出5V电平。需要注意的是，上拉电阻的阻值决定逻辑电平电压转换的速度。阻值越大，速度越低，功耗越小，所以负载电阻的选择应兼顾功耗和速度。

由此可见，开漏输出可以匹配电平，一般适用于电平不匹配的场合，而且，开漏输出吸收电流的能力相对较强，适合作为电流型的驱动。

5.2STM32 GPIO功能
5.2.1普通I/O功能

复位期间和刚复位后，复用功能未开启，I/O口被配置成浮空输入模式。

复位后，JTAG引脚被置于输入上拉或下拉模式。

(1) PA13： JTMS置于上拉模式。

(2) PA14： JTCK置于下拉模式。

(3) PA15： JTDI置于上拉模式。

(4) PB4： JNTRST置于上拉模式。


当作为输出配置时，写到输出数据寄存器(GPIOx_ODR)上的值输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式(当输出0时，只有NMOS被打开)使用输出驱动器。

输入数据寄存器(GPIOx_IDR)在每个APB2时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。

所有GPIO引脚有一个内部弱上拉和弱下拉，当配置为输入时，它们可以被激活也可以被断开。

5.2.2单独的位设置或位清除

当对GPIOx_ODR寄存器的个别位编程时，软件不需要禁止中断： 在单次APB2写操作中，可以只更改一个或多个位。这是通过对置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR/GPIOx_BRR)中想要更改的位写1实现的。没被选择的位将不被更改。

5.2.3外部中断/唤醒线

所有端口都有外部中断能力。为了使用外部中断线，端口必须配置成输入模式。

5.2.4复用功能

使用默认复用功能(AF)前必须对端口位配置寄存器编程。


(1) 对于复用输入功能，端口位必须配置成输入模式(浮空、上拉或下拉)且输入引脚必须由外部驱动。

(2) 对于复用输出功能，端口位必须配置成复用功能输出模式(推挽或开漏)。

(3) 对于双向复用功能，端口位必须配置复用功能输出模式(推挽或开漏)。此时，输入驱动器被配置成浮空输入模式。


如果把端口配置成复用输出功能，则引脚和输出寄存器断开，并和片上外设的输出信号连接。


如果软件把一个GPIO引脚配置成复用输出功能，但是外设没有被激活，那么它的输出将不确定。


5.2.5软件重新映射I/O复用功能


STM32F407微控制器的I/O引脚除了通用功能外，还可以设置为一些片上外设的复用功能。而且，一个I/O引脚除了可以作为某个默认外设的复用引脚外，还可以作为其他多个不同外设的复用引脚。类似地，一个片上外设，除了默认的复用引脚，还可以有多个备用的复用引脚。在基于STM32微控制器的应用开发中，用户根据实际需要可以把某些外设的复用功能从默认引脚转移到备用引脚上，这就是外设复用功能的I/O引脚重映射。

为了使不同封装器件的外设I/O功能的数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一些引脚上。这可以通过软件配置AFIO寄存器完成，这时，复用功能就不再映射到它们的原始引脚上了。

5.2.6GPIO锁定机制

锁定机制允许冻结I/O配置。当在一个端口位上执行了锁定(LOCK)程序，在下一次复位之前，将不能再更改端口位的配置。这个功能主要用于一些关键引脚的配置，防止程序跑飞引起灾难性后果。

5.2.7输入配置

当I/O口位被配置为输入时： 

(1) 输出缓冲器被禁止； 

(2) 施密特触发输入被激活； 

(3) 根据输入配置(上拉、下拉或浮动)的不同，弱上拉和下拉电阻被连接； 

(4) 出现在I/O引脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器； 

(5) 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态。

I/O口位的输入配置如图52所示。



图52I/O口位的输入配置


5.2.8输出配置

当I/O口位被配置为输出时： 


(1) 输出缓冲器被激活，
开漏模式下，输出寄存器上的0激活NMOS晶体管，而输出寄存器上的1将端口置于高阻状态(PMOS晶体管从不被激活)，
推挽模式下，输出寄存器上的0激活NMOS晶体管，而输出寄存器上的1将激活PMOS晶体管； 

(2) 施密特触发输入被激活； 

(3) 弱上拉和下拉电阻被禁止； 

(4) 出现在I/O引脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器； 

(5) 在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态； 

(6) 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值。

I/O口位的输出配置如图53所示。



图53I/O口位的输出配置


5.2.9复用功能配置

当I/O口位被配置为复用功能时： 

(1) 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开； 

(2) 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)； 

(3) 施密特触发输入被激活； 

(4) 弱上拉和下拉电阻被禁止； 

(5) 在每个APB2时钟周期，出现在I/O引脚上的数据被采样到输入数据寄存器； 

(6) 开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态； 

(7) 在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值。

一组复用功能I/O寄存器允许用户把一些复用功能重新映像到不同的引脚。

I/O口位的复用功能配置如图54所示。




图54I/O口位的复用功能配置


5.2.10高阻抗模拟输入配置

当I/O口位被配置为模拟输入配置时： 

(1) 输出缓冲器被禁止； 

(2) 禁止施密特触发输入，实现了每个模拟I/O引脚上的零消耗，施密特触发输出值被强置为0； 

(3) 弱上拉和下拉电阻被禁止； 

(4) 读取输入数据寄存器时数值为0。

I/O口位的高阻抗模拟输入配置如图55所示。



图55I/O口位的高阻抗模拟输入配置


5.2.11STM32的GPIO操作

下面讲述STM32 的GPIO操作方法。

1. 复位后的GPIO

为防止复位后GPIO引脚与片外电路的输出冲突，复位期间和刚复位后，所有GPIO引脚复用功能都不开启，被配置成浮空输入模式。


为了节约电能，只有被开启的GPIO端口才会给提供时钟。因此，复位后所有GPIO端口的时钟都是关断的。使用之前必须逐一开启。

2. GPIO工作模式的配置


每个GPIO引脚都拥有自己的端口配置位——MODERy［1:0］(模式寄存器，其中y代表GPIO引脚在端口中的编号)和OTy［1:0］(输出类型寄存器，其中y代表GPIO引脚在端口中的编号)，用于选择该引脚是处于输入模式中的浮空输入模式
、上拉/下拉输入模式或模拟输入模式； 还是输出模式中的输出推挽模式、开漏输出模式或复用功能推挽/开漏输出模式。每个GPIO引脚还拥有自己的端口模式位OSPEEDRy［1:0］，用于选择该引脚是处于输入模式，或是输出模式中的输出带宽(2MHz、25MHz、50MHz和100MHz)。


每个GPIO端口拥有16个引脚，而每个引脚又拥有4个控制位，因此需要64位才能实现对一个端口所有引脚的配置，它们被分置在两个字中。如果是输出模式，还需要16位输出类型寄存器。各种工作模式的硬件配置总结如下。


(1) 输入模式的硬件配置： 输出缓冲器被禁止； 施密特触发器输入被激活； 根据输入配置(上拉、下拉或浮空)的不同，弱上拉和下拉电阻被连接； 出现在I/O引脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器； 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态。


(2) 输出模式的硬件配置： 输出缓冲器被激活； 施密特触发器输入被激活； 弱上拉和下拉电阻被禁止； 出现在I/O引脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器； 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态； 对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值； 在推挽模式时，互补MOS管对都能被打开； 在开漏模式时，只有NMOS管可以被打开。

(3) 复用功能的硬件配置： 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开； 片上外设的信号驱动输出缓冲器； 施密特触发器输入被激活； 弱上拉和下拉电阻被禁止； 在每个APB2时钟周期，出现在I/O引脚上的数据被采样到输入数据寄存器； 对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值； 在推挽模式时，互补MOS管对都能被打开； 在开漏模式时，只有NMOS晶体管可以被打开。

3. GPIO输入的读取

每个端口都有自己对应的输入数据寄存器 GPIOx_IDR(其中x代表端口号，如GPIOA_IDR)，它在每个APB2时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。软件可以通过对GPIOx_IDR寄存器某个位的直接读取，或对位带别名区中对应字的读取得到GPIO引脚状态对应的值。

4. GPIO输出的控制

STM32为每组16引脚的端口提供了3个32位的控制寄存器： GPIOx_ODR、GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR(其中x指代A、B、C等端口号)。其中，GPIOx_ODR寄存器的功能比较容易理解，它的低16位直接对应了本端口的16个引脚，软件可以通过直接对这个寄存器的置位或清零，让对应引脚输出高电平或低电平。也可以利用位带操作原理，对GPIOx_ODR寄存器中某个位对应的位带别名区字地址执行写入操作以实现对单个位的简化操作。利用GPIOx_ODR寄存器的位带操作功能可以有效地避免端口中其他引脚的“读修改写”问题，但位带操作的缺点是每次只能操作一位，对于某些需要同时操作多个引脚的应用，位带操作就显得力不从心了。STM32的解决方案是使用 GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR两个寄存器解决多个引脚同时改变电平的问题。

5. 输出速度


如果STM32F407的I/O引脚工作在某个输出模式下，通常还需设置其输出速度，这个输出速度指的是I/O驱动电路的响应速度，而不是输出信号的速度。输出信号的速度取决于软件程序。


STM32F407的芯片内部在I/O输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据自己的需要，通过选择响应速度选择合适的输出驱动模块，以达到最佳噪声控制和降低功耗的目的。众所周知，高频的驱动电路噪声也高。当不需要高输出频率时，尽量选用低频响应速度的驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI性能。当然，如果要输出较高频率的信号，但却选用了较低频率响应速度的驱动模块，很可能会得到失真的输出信号。一般推荐I/O引脚的输出速度是其输出信号速度的5~10倍。


STM32F407的I/O引脚的输出速度有4种选择： 2MHz、25MHz、50MHz和100MHz。


下面根据一些常见的应用给读者一些选用参考。

(1) 连接LED、蜂鸣器等外部设备的普通输出引脚，一般设置为2MHz。


(2) 用作USART复用功能输出引脚，假设 USART工作时最大比特率为115.2kb/s，选用2MHz的响应速度也足够了，既省电，噪声又小。

(3) 用作I2C复用功能的输出引脚，假设I2C工作时最大比特率为400kb/s，那么2MHz的引脚速度或许不够，这时可以选用10MHz的I/O引脚速度。

(4) 用作 SPI复用功能的输出引脚，假设SPI工作时比特率为18Mb/s或9Mb/s，那么10MHz的引脚速度显然不够，这时需要选用50MHz的I/O引脚速度。

(5) 用作FSMC复用功能连接存储器的输出引脚，一般设置为50MHz或100MHz的I/O引脚速度。

5.2.12外部中断映射和事件输出

借助AFIO，STM32F407微控制器的I/O引脚不仅可以实现外设复用功能的重映射，而且可以实现外部中断映射和事件输出。需要注意的是，如需使用STM32F407控制器I/O引脚的以上功能，都必须先打开APB2总线上的AFIO时钟。


1. 外部中断映射

当STM32微控制器的某个I/O引脚被映射为外部中断线时，该I/O引脚就可以成为一个外部中断源，可以在这个1/O引脚上产生外部中断实现对用户STM32 运行程序的交互。


STM32微控制器的所有I/O引脚都具有外部中断能力。每根外部中断线EXTI LineXX和所有GPIO端口 GPIO［A..G］.XX共享。为了使用外部中断线，该I/O引脚必须配置成输入模式。

2. 事件输出

STM32微控制器几乎每个I/O引脚(除端口F和G的引脚外)都可用作事件输出。例如，使用SEV指令产生脉冲，通过事件输出信号将STM32从低功耗模式中唤醒。

5.2.13GPIO的主要特性

综上所述，STM32F407微控制器的GPIO主要具有以下特性。

(1) 提供最多112个多功能双向I/O引脚，80％的引脚利用率。


(2) 几乎每个I/O引脚(除ADC外)都兼容5V，每个I/O引脚具有20mA驱动能力。 


(3) 每个I/O引脚具有最高84MHz的翻转速度。30pF时输出速度为100MHz，15pF时输出速度为80MHz输出。

（4） 每个I/O引脚有8种工作模式，在复位时和刚复位后，复用功能未开启，I/O引脚被配置成浮空输入模式。

(5) 所有I/O引脚都具备复用功能，包括JTAG/SWD、Timer、USART、I2C、SPI等。

(6) 某些复用功能引脚可通过复用功能重映射用作另一复用功能，方便PCB设计。

(7) 所有I/O引脚都可作为外部中断输入，同时可以有16个中断输入。

(8) 几乎每个I/O引脚(除端口F和G外)都可用作事件输出。

(9) PA0可作为从待机模式唤醒的引脚，PC13可作为入侵检测的引脚。

5.3STM32的GPIO常用库函数

GPIO相关的函数和宏被定义在以下两个文件中。

（1） 头文件： stm32f4xx_gpio.h。

（2） 源文件： stm32f4xx_gpio.c。

常用库函数有初始化函数、读取输入电平函数、读取输出电平函数、设置输出电平函数、反转引脚状态函数及复用功能设置函数。

1. 初始化函数



该函数用于初始化GPIO的一个或多个引脚的工作模式、输出类型、输出速度及上拉/下拉方式。操作的是4个配置寄存器(模式寄存器、输出类型寄存器、输出速度寄存器和上拉/下拉寄存器)。语法格式为




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





初始化函数有以下两个参数。


参数1： GPIO_TypeDef*GPIOx。该参数是操作的GPIO对象，是一个结构体指针。在实际使用中的参数有GPIOA~GPIOI，被定义在头文件stm32f4xx.h中。例如： 




#define GPIOA((GPIO_TypeDef*)GPIOA_BASE)

#define GPIOB((GPIO_TypeDef*)GPIOB_BASE)

…

#define GPIOI((GPIO_TypeDef*)GPIOI_BASE)





参数2： GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct。该参数是GPIO初始化结构体指针。
GPIO_InitTypeDef
结构体类型被定义在头文件stm32f4xx_gpio.h中。




typedef struct

{

uint32_tGPIO_Pin;//初始化的引脚

GPIOMode_TypeDefGPIO_Mode;//工作模式

GPIOSpeed_TypeDefGPIO_Speed;//输出速度

GPIOOType_TypeDefGPIO_OType;//输出类型

GPIOPuPd_TypeDefGPIO_PuPd;//上拉/下拉

}GPIO_InitTypeDef;





成员uint32_tGPIO_Pin声明需要初始化的引脚，以屏蔽字的形式出现，在头文件stm32f4xx_gpio.h中有如下定义。




#define GPIO_Pin_0((uint16_t)0x0001)//Pin 0 selected

#define GPIO_Pin_1((uint16_t)0x0002)//Pin 1 selected

#define GPIO_Pin_2((uint16_t)0x0004)//Pin 2 selected

…

#define GPIO_Pin_15((uint16_t)0x8000)//Pin 15 selected

#define GPIO_Pin_All((uint16_t)0xFFFF)//All pins selected





在实际编程中，当一个GPIO的多个引脚被初始化为相同工作模式时，可以通过位或操作合并选择多个引脚。


例如，引脚1、3、5被初始化为相同工作模式时，通过位或操作合并如下。




GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_5





成员GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode选择GPIO引脚工作模式，在头文件stm32f4xx_gpio.h中有如下定义。




typedef enum

{ 

GPIO_Mode_IN=0x00，//输入模式

GPIO_Mode_OUT=0x01，//输出模式

GPIO_Mode_AF=0x02，//复用功能模式

GPIO_Mode_AN=0x03//模拟功能模式

}GPIOMode_TypeDef;






成员GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed选择GPIO引脚输出速度，在头文件stm32f4xx_gpio.h中有如下定义。




typedef enum

{ 

GPIO_Low_Speed=0x00，//低速

GPIO_Medium_Speed=0x01，//中速

GPIO_Fast_Speed=0x02，//快速

GPIO_High_Speed=0x03//高速

}GPIOSpeed_TypeDef;

#defineGPIO_Speed_2MHzGPIO_Low_Speed

#defineGPIO_Speed_25MHzGPIO_Medium_Speed

#defineGPIO_Speed_50MHzGPIO_Fast_Speed

#defineGPIO_Speed_100MHzGPIO_High_Speed





成员GPIOOType_TypeDef GPIO_OType选择GPIO引脚输出类型，在头文件stm32f4xx_gpio.h中有如下定义。




typedef enum

{ 

GPIO_OType_PP=0x00，//推挽输出

GPIO_OType_OD=0x01//开漏输出

}GPIOOType_TypeDef;





成员GPIOPuPd_TypeDef GPIO_PuPd选择GPIO 引脚上拉/下拉功能，在头文件stm32f4xx_gpio.h中有如下定义。




typedef enum

{

GPIO_PuPd_NOPULL=0x00，//不上拉/下拉

GPIO_PuPd_UP=0x01，//上拉

GPIO_PuPd_DOWN=0x02//下拉

} GPIOPuPd_TypeDef;






例如，将GPIO的PF9、PF10引脚配置为推挽输出模式，100MHz，使能上拉功能。




//定义GPIO_InitTypeDef结构体变量

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

//使能 GPIOF时钟

RCC_AHB1PeriphClockCmd (RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);

//GPIO的PF9、PF10引脚初始化设置

GPIO_InitStructure. GPIO_Pin=GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10;//需要配置的GPIO引脚

GPIO_InitStructure. GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;//输出模式

GPIO_InitStructure. GPIO_OType=GPIO_OType_PP;//推挽输出

GPIO_InitStructure. GPIO_Speed=GPIO_Speed_100MHz;//100MHz

GPIO_InitStructure. GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;//上拉

//调用GPIO_Init（）函数，完成GPIO的PF9、PF10引脚初始化

GPIO_Init (GPIOF, &GPIO_InitStructure);





2. 读取输入电平函数

(1) 读取某个GPIO的输入电平，实际操作的是输入数据寄存器。语法格式为




uint8_t GPIO_ReadInputDataBit (GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);





其中，参数GPIO_TypeDef* GPIOx 为GPIO操作对象； 参数uint16_t GPIO_Pin为操作引脚。

例如，读取GPIO的PA5引脚电平。




GPIO_ReadInputDataBit (GPIOA, GPIO_Pin_5);





该函数每次只能获取一个引脚状态。

(2) 读取某组GPIO的输入电平，实际操作的是输入数据寄存器。语法格式为




uint16_t GPIO_ReadInputData (GPIO_TypeDef* GPIOx);





例如，读取GPIOA所有引脚状态。




GPIO_ReadInputData (GPIOA);





3. 读取输出电平函数

(1) 读取某个GPIO的输出电平，实际操作的是输出数据寄存器。语法格式为




uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit (GPIO_TypeDef*GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);





其中，参数GPIO_TypeDef*GPIOx 为GPIO操作对象； 参数uint16_t GPIO_Pin为操作引脚。

例如，读取GPIO的PA5引脚的输出状态。




GPIO_ReadOutputDataBit (GPIOA, GPIO_Pin_5);





(2) 读取某组GPIO的输出电平，实际操作的是输出数据寄存器。语法格式为




uint16_t GPIO_ReadOutputData (GPIO_TypeDef* GPIOx);





例如，读取GPIOA组中所有引脚输出电平。




GPIO_ReadOutputData (GPIOA);





以上这两个函数不常用。

4. 设置输出电平函数

(1) 设置GPIO引脚为高电平(1)，实际操作的是置位/复位寄存器的低16位(BSRRL)。语法格式为




void GPIO_SetBits (GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);





其中，参数GPIO_TypeDef* GPIOx 为GPIO操作对象； 参数uint16_t GPIO_Pin为操作引脚。

例如，设置GPIO的PA3、PA5引脚为高电平。




GPIO_SetBits(GPIOA，GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_5);





该函数可同时设置多个引脚的状态。

(2) 设置GPIO引脚为低电平(0)，实际操作的是置位/复位寄存器的高16位(BSRRH)。语法格式为




void GPIO_ResetBits (GPIO_TypeDef*GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);





例如，设置GPIO的PA2、PA4引脚为低电平。




GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_4);





该函数可同时设置多个引脚的状态。

(3) 设置某个GPIO引脚为特定电平，实际操作的是置位/复位寄存器。语法格式为




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





其中，参数GPIO_TypeDef*GPIOx为GPIO操作对象； 参数uint16_t GPIO_Pin为操作引脚； 参数Bit Action BitVal为引脚状态，取值为Bit_SET或Bit_RESET。

例如，设置GPIO的PA3引脚为高电平，设置GPIO的PA5引脚为低电平。




GPIO_WriteBit (GPIOA, GPIO_Pin_3, Bit_SET);

GPIO_WriteBit (GPIOA, GPIO_Pin_5, Bit_RESET);





该函数只能设置一个引脚状态。

(4) 设置某个GPIO所有引脚为特定电平，实际操作的是输出数据寄存器。语法格式为




void GPIO_Write(GPIO_TypeDef*GPIOx,uint16_t Port Val);





其中，参数GPIO_TypeDef*GPIOx 为GPIO操作对象； 参数uint16_t Port Val 为16位的无符号数据，据每位对应控制一个引脚的输出状态，0代表对应引脚输出低电平，1代表对应引脚输出高电平。

例如，设置GPIOA所有引脚为高电平。




GPIO_Write(GPIOA，0xFFFF);





5. 反转引脚状态函数


该函数将GPIO引脚状态反转，使用位异或操作输出数据寄存器。语法格式为




void GPIO_ToggleBits(GPIO_TypeDef*GPIOx,uint16_t GPIO_Pin);





其中，参数GPIO_TypeDef*GPIOx为GPIO操作对象，用初始化函数的参数1定义； 
参数uint16_t GPIO_Pin为操作引脚。

例如，设置GPIO的PA3、PA5引脚状态反转。





GPIO_ToggleBits(GPIOA,GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_5);





6. 复用功能设置函数

该函数将GPIO的某个引脚设置为特定的复用功能，操作的是复用功能低位寄存器或复用功能高位寄存器。
语法格式为




void GPIO_PinAFConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx，uint16_t GPIO_PinSource，uint8_tGPIO_AF);





其中，参数GPIO_TypeDef* GPIOx为GPIO操作对象，用初始化函数的参数1定义； 
参数uint16_t GPIO_PinSource为复用引脚，在stm32f4xx_gpio.h文件中有如下定义。




#define GPIO_PinSource0((uint8_t)0x00)

#define GPIO_PinSourcel((uint8_t)0x01)

#define GPIO_PinSource2((uint8_t)0x02)

…

#define GPIO_PinSource14((uint8_t)0x0E)

#define GPIO_PinSource15((uint8_t)0x0F)





参数uint8_tGPIO_AF为复用对象，在stm32f4xx_gpio.h文件中有片上外设引脚复用宏定义。例如，USART1的引脚复用宏定义
如下。




#define GPIO_AF_USART1((uint8_t)0x07)





例如，将PA9、PA10分别复用为USART1的发送(TX)引脚和接收(RX)引脚。
PA9、PA10可复用的功能如表51所示。


表51PA9、PA10可复用的功能




引脚复 用 功 能


PA9TIM1_CH2、I2C3_SMBA、USART1_TX、DCMI_D0、EVENTOUT
PA10TIM1_CH3、USART1_RX、OTG_FS_ID、DCMI_D1、EVENTOUT


USART1对应的复用标号是GPIO_AF_USART1(AF7)，因此实现程序如下。




//PA9连接AF7，复用为USART1_TX

GPIO_PinAFConfig(GPIOA，GPIO_PinSource9，GPIO_AF_USART1);

//PA10连接AF7，复用为USART1_RX

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1);





5.4STM32的GPIO使用流程

使用库函数实现GPIO的应用，一般需要以下几步。


(1) 使能GPIO的时钟(非常重要)，涉及stm32f4xx_rcc.h头文件和stm32f4xx_rcc.c源文件。

使用的主要函数如下。




RCC_AHB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph，FunctionalState NewState)； 





片上外设一般被设计为数字时序电路，需要驱动时钟才能工作。片上外设大都被挂载在
AHB1、AHB2、APB1、APB2这4条总线上，因此，工作时钟由对应总线时钟驱动。微控制器为每个片上外设设置了一个时钟开关，可以控制片上外设的运行和禁止。通过操作4个外设时钟使能寄存器RCC_AHB1ENR、RCC_AHB2ENR、RCC_APB1ENR、RCC_APB2ENR相应的位段实现。


所有GPIO挂载在AHB1总线上，使能GPIO的工作时钟，操作的是外设时钟使能寄存器
RCC_AHB1ENR。

例如，使能GPIOA的工作时钟使用的函数如下。




RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE)； 





该函数有以下两个参数。


参数1为一个片上外设时钟对应于外设时钟使能寄存器中的使能屏蔽字，被定义在stm32f4xx_rcc.h文件中。


例如，GPIOA的时钟使能位在RCC_AHB1ENR中的0位，因此有如下屏蔽字定义。




#define RCC_AHB1Periph_GPIOA((uint32_t) 0x00000001)





参数2为使能/禁止片上外设时钟。ENABLE(使能时钟)和DISABLE(禁止时钟)以枚举类型分别被定义为0和非0。RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE)函数实现的功能，就是根据
参数2的使能状态，将RCC_AHB1ENR的0位置1(ENABLE，使能时钟)或清零(DISABLE，禁止时钟)。

(2) 设置对应于片上外设使用的GPIO工作模式。


(3) 如果使用复用功能，需要单独设置每个GPIO引脚的复用功能。

(4) 在应用程序中读取引脚状态、控制引脚输出状态或使用复用功能完成特定功能。

5.5STM32 GPIO输出应用实例

本节GPIO输出应用实例是使用固件库点亮LED灯。

5.5.1STM32的GPIO输出应用硬件设计

STM32F407与LED的连接如图56所示。这是一个RGB LED灯，由红、蓝、绿3个LED构成，使用PWM控制时可以混合成
不同的颜色。



图56LED灯硬件电路


这些LED的阴极都连接到STM32F407的GPIO引脚，只要控制GPIO引脚的电平输出状态，即可控制LED的亮灭。如果读者使用的开发板中LED的连接方式或引脚不一样，只需修改程序的相关引脚即可，程序的控制原理相同。


LED电路是由外接+3.3V电源驱动的。当GPIO引脚输出为0时，LED点亮； 当输为1时，LED熄灭。

在本实例中，根据图56的电路设计一个示例，使LED循环显示如下。

(1) 红灯亮1s，灭1s。

(2) 绿灯亮1s，灭1s。

(3) 蓝灯亮1s，灭1s。

(4) 红灯亮1s，灭1s。

(5) 轮流显示红绿蓝黄紫青白各1s。

(6) 关灯1s。

5.5.2STM32的GPIO输出应用软件设计


为了使工程更加有条理，把LED控制相关的代码独立分开存储，方便以后移植。 在工程模板
上新建bsp_led.c及 bsp_led.h文件，其中bsp即Board Support Packet的缩写(板级支持包)。

1. bsp_led.h头文件





#ifndef __LED_H

#define__LED_H



#include "stm32f4xx.h"



//引脚定义

/*******************************************************/

//R 红色灯

#define LED1_PINGPIO_Pin_6

#define LED1_GPIO_PORTGPIOF

#define LED1_GPIO_CLKRCC_AHB1Periph_GPIOF



//G 绿色灯

#define LED2_PINGPIO_Pin_7

#define LED2_GPIO_PORTGPIOF

#define LED2_GPIO_CLKRCC_AHB1Periph_GPIOF



//B 蓝色灯

#define LED3_PINGPIO_Pin_8

#define LED3_GPIO_PORTGPIOF

#define LED3_GPIO_CLKRCC_AHB1Periph_GPIOF

/************************************************************/



/* 控制LED灯亮灭的宏

* LED低电平亮，设置ON=0，OFF=1

* 若LED高电平亮，把宏设置成ON=1，OFF=0 即可

*/

#define ON0

#define OFF 1



/* 带参宏，可以像内联函数一样使用 */

#define LED1(a)if (a) ＼

GPIO_SetBits(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN);＼

else＼

GPIO_ResetBits(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)



#define LED2(a)if (a) ＼

GPIO_SetBits(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN);＼

else＼

GPIO_ResetBits(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)



#define LED3(a)if (a) ＼

GPIO_SetBits(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN);＼

else＼

GPIO_ResetBits(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)




/* 直接操作寄存器的方法控制I/O */

#definedigitalHi(p,i){p->BSRRL=i;}//设置为高电平

#define digitalLo(p,i){p->BSRRH=i;}　　//输出低电平








#define digitalToggle(p,i){p->ODR ^=i;}　//输出反转状态



/* 定义控制I/O的宏 */

#define LED1_TOGGLEdigitalToggle(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)

#define LED1_OFFdigitalHi(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)

#define LED1_ONdigitalLo(LED1_GPIO_PORT,LED1_PIN)



#define LED2_TOGGLEdigitalToggle(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)

#define LED2_OFFdigitalHi(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)

#define LED2_ONdigitalLo(LED2_GPIO_PORT,LED2_PIN)



#define LED3_TOGGLEdigitalToggle(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)

#define LED3_OFFdigitalHi(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)

#define LED3_ONdigitalLo(LED3_GPIO_PORT,LED3_PIN)



/* 基本混色，后面高级用法使用PWM可混出全彩颜色且效果更好 */

//红

#define LED_RED＼

LED1_ON;＼

LED2_OFF;＼

LED3_OFF

//绿

#define LED_GREEN＼

LED1_OFF;＼

LED2_ON;＼

LED3_OFF

//蓝

#define LED_BLUE＼

LED1_OFF;＼

LED2_OFF;＼

LED3_ON

//黄(红+绿)

#define LED_YELLOW＼

LED1_ON;＼

LED2_ON;＼

LED3_OFF

//紫(红+蓝)

#define LED_PURPLE＼

LED1_ON;＼

LED2_OFF;＼

LED3_ON

//青(绿+蓝)

#define LED_CYAN ＼

LED1_OFF;＼

LED2_ON;＼

LED3_ON

//白(红+绿+蓝)

#define LED_WHITE＼

LED1_ON;＼

LED2_ON;＼

LED3_ON








//黑(全部关闭)

#define LED_RGBOFF＼

LED1_OFF;＼

LED2_OFF;＼

LED3_OFF

void LED_GPIO_Config(void);

#endif /* __LED_H */





这部分宏控制LED亮灭的操作是直接向BSRR、BRR和ODR这3个寄存器写入控制指令实现的
。对BSRR寄存器写1输出高电平，对BRR寄存器写1输出低电平，对ODR 寄存器某位进行异或操作可反转位的状态。

RGB彩灯可以实现混色。


上述代码中的＼是C语言中的续行符语法，表示续行符的下一行与续行符所在的代码是同一行。因为代码中宏定义关键字
#define只对当前行有效，所以使用续行符连接起来。以下的代码是等效的。




#define LED_YELLOW LED1_ON； LED2_ON； LED3_OFF





应用续行符时要注意，在＼后面不能有任何字符(包括注释、空格)，只能直换行。

2. bsp_led.c源文件





#include "./led/bsp_led.h"



/*

* @brief初始化控制LED的I/O

* @param无

* @retval 无

*/

void LED_GPIO_Config(void)

{

/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;



/*开启LED相关的GPIO外设时钟*/

RCC_AHB1PeriphClockCmd ( LED1_GPIO_CLK|LED2_GPIO_CLK|

LED3_GPIO_CLK, ENABLE); 



/*选择要控制的GPIO引脚*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED1_PIN;



/*设置引脚模式为输出模式*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;



/*设置引脚的输出类型为推挽输出*/

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;



/*设置引脚为上拉模式*/

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;










/*设置引脚速率为2MHz */

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; 



/*调用库函数，使用上面配置的GPIO_InitStructure初始化GPIO*/

GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);



/*选择要控制的GPIO引脚*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED2_PIN;

GPIO_Init(LED2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);



/*选择要控制的GPIO引脚*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED3_PIN;

GPIO_Init(LED3_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);



/*关闭RGB灯*/

LED_RGBOFF;

}





初始化 GPIO 端口时钟时采用了 STM32 库函数，函数执行流程如下。


(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。


(2) 调用库函数 RCC_AHB1PeriphClockCmd（）使能 LED 灯的 GPIO 端口时钟，如果是直接向 RCC 寄存器赋值使能时钟的，不如这样直观。该函数有两个输入参数，第1个参数用于指示要配置的时钟，如本例中的
RCC_AHB1Periph_GPIOH和RCC_AHB1Periph_GPIOD，应用时使用|操作同时配置3个LED的时钟； 函数的第2个参数用于设置状态，可输入DISABLE关闭或ENABLE使能时钟。

(3) 向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成推挽输出模式，其中的GPIO_Pin使用宏LEDx_PIN赋值，使函数的实现方便移植。

(4) 使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init（）函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化，这里的GPIO端口使用
宏LEDx_GPIO_PORT赋值，也是为了程序移植方便。

(5) 使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其他LED使用的GPIO引脚。

(6) 使用宏控制RGB灯默认关闭。

编写完LED的控制函数后，就可以在main函数中测试了。

3. main.c文件





#include "stm32f4xx.h"

#include "./led/bsp_led.h"



void Delay(__IO u32 nCount); 



/*

* @brief主函数

* @param无








* @retval 无

*/

int main(void)

{

/* LED 端口初始化 */

LED_GPIO_Config();



/* 控制LED灯 */

while (1)

{

LED1( ON ); // 亮 

Delay(0xFFFFFF);

LED1( OFF );// 灭



LED2( ON ); // 亮 

Delay(0xFFFFFF);

LED2( OFF );// 灭



LED3( ON ); // 亮 

Delay(0xFFFFFF);

LED3( OFF );// 灭



/*轮流显示红绿蓝黄紫青白*/

LED_RED;

Delay(0xFFFFFF);



LED_GREEN;

Delay(0xFFFFFF);



LED_BLUE;

Delay(0xFFFFFF);



LED_YELLOW;

Delay(0xFFFFFF);



LED_PURPLE;

Delay(0xFFFFFF);



LED_CYAN;

Delay(0xFFFFFF);



LED_WHITE;

Delay(0xFFFFFF);



LED_RGBOFF;

Delay(0xFFFFFF);

}

}



void Delay(__IO uint32_t nCount) //简单的延时函数

{

for(; nCount != 0; nCount--);

}





在main函数中，调用定义的LED_GPIO_Config（）函数初始化LED的控制引脚，然后直接调用各种控制LED亮灭的宏实现LED的控制。


以上就是一个使用STM32标准软件库开发应用的流程。

把编译好的程序下载到开发板并复位，可以看到RGB彩灯轮流显示不同的颜色。

5.6STM32 GPIO输入应用实例

本节GPIO输入应用实例是使用固件库的按键检测。

5.6.1STM32的GPIO输入应用硬件设计

按键机械触点断开、闭合时，由于触点的弹性作用，按键开关不会马上稳定接通或一下子断开，使用按键时会产生抖动信号，需

图57按键检测电路

要用软件消抖处理滤波，不方便输入检测。本实例开发板连接的按键附带硬件消抖功能，如图57所示。它利用电容充放电的延时消除了波纹，从而简化软件的处理，软件只需要直接检测引脚的电平即可。



从按键检测电路可知，这些按键在没有被按下时，GPIO引脚的输入状态为低电平(按键所在的电路不通，引脚接地)，当按键按下时，GPIO引脚的输入状态为高电平(按键所在的电路导通，引脚接到电源)。只要按键检测引脚的输入电平，即可判断按键是否被按下。


若读者使用的开发板按键的连接方式或引脚不一样，只需根据工程修改引脚即可，程序的控制原理相同。


在本实例中，根据图57电路设计一个示例，通过按键控制LED，具体如下。

(1) 按下KEY1，红灯翻转。

(2) 按下KEY2，绿灯翻转。

5.6.2STM32的GPIO输入应用软件设计

为了使工程更加有条理，把LED控制相关的代码独立分开存储，方便以后移植。 在
工程模板上新建bsp_key.c及 bsp_key.h文件，其中的bsp即 Board Support Packet的缩写(板级支持包)。

编程要点如下。

(1) 使能GPIO端口时钟。


(2) 初始化GPIO目标引脚为输入模式(浮空输入)。

(3) 编写简单测试程序，检测按键的状态，实现按键控制LED。

1. bsp_key.h头文件





#ifndef __KEY_H

#define__KEY_H



#include "stm32f4xx.h"



//引脚定义

/*******************************************************/

#define KEY1_PINGPIO_Pin_0

#define KEY1_GPIO_PORTGPIOA

#define KEY1_GPIO_CLKRCC_AHB1Periph_GPIOA



#define KEY2_PINGPIO_Pin_13

#define KEY2_GPIO_PORTGPIOC

#define KEY2_GPIO_CLKRCC_AHB1Periph_GPIOC

/*******************************************************/

/* 按键按下标志宏

* 按键按下为高电平，设置 KEY_ON=1， KEY_OFF=0

* 若按键按下为低电平，把宏设置成KEY_ON=0 ，KEY_OFF=1 即可

*/

#define KEY_ON1

#define KEY_OFF0



void Key_GPIO_Config(void);

uint8_t Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx,u16 GPIO_Pin);



#endif /* __LED_H */





2. bsp_key.c源文件





#include "./key/bsp_key.h" 

/// 不精确的延时

void Key_Delay(__IO u32 nCount)

{

for(; nCount != 0; nCount--);

} 



/*

* @brief配置按键用到的I/O口

* @param无

* @retval 无

*/

void Key_GPIO_Config(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;



/*开启按键GPIO的时钟*/

RCC_AHB1PeriphClockCmd(KEY1_GPIO_CLK|KEY2_GPIO_CLK,ENABLE);



/*选择按键1的引脚*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_PIN; 



/*设置引脚为输入模式*/









GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; 



/*设置引脚不上拉也不下拉*/

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;



/*使用上面的结构体初始化按键2*/

GPIO_Init(KEY1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);



/*选择按键2的引脚*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY2_PIN; 



/*使用上面的结构体初始化按键2*/

GPIO_Init(KEY2_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

}





函数执行流程如下。

(1) 使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置。

(2) 调用库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd（）使能按键的GPIO端口时钟，调用时使用|操作同时配置两个按键的时钟。

(3) 向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成浮空输入模式，其中的GPIO_Pin使用宏KEYx_PIN赋值，使函数的实现方便移植。由于引脚的默认电平受按键电路影响，所以设置成浮空、上拉、下拉模式均没有区别。

(4) 使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init（）函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化，这里的GPIO端口使用
宏KEYx_GPIO_PORT赋值，也是为了程序移植方便。

(5) 使用同样的初始化结构体，只修改控制的引脚和端口，初始化其他按键检测时使用的 GPIO 引脚。




/*

* @brief检测是否有按键按下

* @param GPIOx:具体的端口, x可以是A~K

* @param GPIO_PIN:具体的端口位， 可以是GPIO_PIN_x(x可以是0~15)

* @retval按键的状态

* @arg KEY_ON:按键按下

* @arg KEY_OFF:按键未按下

*/

uint8_t Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)

{

/*检测是否有按键按下 */

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON )

{

/*等待按键释放 */

while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx,GPIO_Pin) == KEY_ON);

return KEY_ON;

}

else

return KEY_OFF;

}






这里定义了一个Key_Scan()函数，用于扫描按键状态。 GPIO 引脚的输入电平可通过读取 IDR寄存器对应的数据位感知，而 STM32标准库提供了库函数GPIO_ReadInputDataBit（）获取位状态，该函数输入GPIO端口及引脚号，函数返回该引脚的电平状态，高电平返回1，低电平返回0。Key_Scan（）函数中以GPIO_ReadInputDataBit（）函数的返回值与自定义的宏
KEY_ON对比，若检测到按键按下，则使用while循环持续检测按键状态，直到按键释放，按键释放后Key_Scan（）函数返回一个KEY_ON值； 若没有检测到按键按下，则函数直接返回KEY_OFF。若按键的硬件没有做消抖处理，需要在Key_Scan（）函数中做软件滤波，防止波纹抖动引起误触发。

3. main.c程序





#include "stm32f4xx.h"

#include "./led/bsp_led.h"

#include "./key/bsp_key.h" 



/*

* @brief主函数

* @param无

* @retval 无

*/

int main(void)

{

/* LED 端口初始化 */

LED_GPIO_Config(); 



/*初始化按键*/

Key_GPIO_Config();



/* 轮询按键状态，若按键按下则翻转LED */ 

while(1)

{

if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_PIN) == KEY_ON )

{

/*LED1翻转*/

LED1_TOGGLE;

}



if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_PIN) == KEY_ON )

{

/*LED2翻转*/

LED2_TOGGLE;

}

}

}





代码中初始化LED及按键后，在while循环中不断调用Key_Scan（）函数，并判断其返回值，若返回值表示按键按下，则翻转LED的状态。

把编译好的程序下载到开发板并复位，按下KEY1和KEY2分别可以控制LED的亮、灭状态。