STM32单片机GPIO概述及相关寄存器

控制/MCU

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描述

5.1 STM32单片机GPIO概述

STM32中每个IO口都有很多个作用,比如这次我们使用的STM32F103ZET6的PA0口,既可以作为IO口使用,还可以作为待机唤醒(WAKEUP),模拟输入(ADC功能)等。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。

(1)输入浮空

(2)输入上拉

(3)输入下拉

(4)模拟输入

(5)开漏输出

(6)推挽式输出

(7)推挽式复用功能

(8)开漏复用功能

每个I/O端口位可以自由编程,然而I/O端口寄存器必须按32位字被访问(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IRQ时不会产生异常错误。

STM32F103系列的基本IO口结构如下图所示

单片机

从结构图可以看出来,STM32的GPIO口可以配置好几个选项,内部上拉下拉电阻的选择,推挽输出或者开漏输出,对于复用功能,有专门的复用输入支路和输出支路。STM32F103的端口由10个寄存器控制,但是常用的并不多,时钟控制寄存器APB2ENR,模式控制寄存器CRH和CRL,输入寄存器IDR,输出寄存器ODR。

5.2 相关寄存器

5.2.1 APB2 外设时钟使能寄存器:RCC_APB2ENR

31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16
-
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
- USART1EN - SPI1EN TIM1EN ADC2EN ADC1EN - IOPEEN IOPDEN IOPCEN IOPBEN IOPAEN - AFIOEN

Bit 14:串口1时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 12:SPI1时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 11:定时器1时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 10:ADC2时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 9:ADC1时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 6:GPIOE时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 5:GPIOD时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 4:GPIOC时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 3:GPIOB时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 2:GPIOA时钟使能(写1开启,写0关闭)

Bit 0:辅助时钟IO时钟使能(写1开启,写0关闭)

5.2.2 端口配置低寄存器:GPIOx_CRL(x=A..E)

31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16
CNF7 MODE7 CNF6 MODE6 CNF5 MODE5 CNF4 MODE4
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
CNF3 MODE3 CNF2 MODE2 CNF1 MODE1 CNF0 MODE0

端口配置表:

bit 31Bit 30:bit 27Bit 26:bit 23Bit 22:bit 19Bit 18:bit 15Bit 14:bit 11Bit 10:bit 7Bit 6:bit 3Bit 2: CNFy[1:0]:端口y的配置位(y=0……7)输入模式下:00:模拟输入模式01:浮空输入模式(复位后的状态)10:上拉/下拉输入模式11:保留输出模式下:00:通用推挽输出模式01:通用开漏输出模式10:复用功能推挽输出模式11:复用功能开漏输出模式
bit 29Bit 28:bit 25Bit 24:bit 21Bit 20:bit 17Bit 16:bit 13Bit 12:bit 9Bit 8:bit 5Bit 4:bit 1Bit 0: MODEy[1:0]:端口y的模式位(y=0……7)00:输入模式(复位后的状态)01:输出模式,最大速度10MHz10:输出模式,最大速度2MHz11:输出模式,最大速度50MHz

5.2.3 端口配置高寄存器:GPIOx_CRH(x=A..E)

31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16
CNF15 MODE15 CNF14 MODE14 CNF13 MODE13 CNF12 MODE12
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
CNF11 MODE11 CNF10 MODE10 CNF9 MODE9 CNF8 MODE8

配置方式和端口配置低寄存器一致。

5.2.4 端口输入数据寄存器:GPIOx_IDR(x=A..E)

31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16
-
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Bit 15~Bit 0:端口输入数据(这些位属于只读并只能以字的形式读出)

5.2.5 端口输出数据寄存器:GPIOx_ODR(x=A..E)

31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16
-
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

Bit 15~Bit 0:端口输出数据(这些位属于只读并只能以字的形式操作)

注:在输入模式下,ODR的数据可以控制端口内部是上拉还是下拉,写入1意味着端口上拉输入。

5.3 GPIO的输入与输出例程

我们现在在PA0端口接一个按键,PA端口接一个LED,当按下按键的时候,LED以100ms亮,100ms灭,抬起按键后LED常亮。

(1)在stm32f103x.h文件中添加GPIO的结构体和地址映射。

单片机

单片机

单片机

(2)在HEADERWARE目录下创建GPIO文件夹,并创建gpio.c和gpio.h两个文件。

单片机

(3)在gpio.h文件中输入以下内容:

单片机

(4)在gpio.c文件中输入以下内容

单片机

(5)将gpio.c文件和gpio.h文件添加进项目

单片机

单片机

(6)在1.c文件中输入以下内容:

单片机

注:实验中,按键一端接GND,LED一端接VCC,所以按键是检测到0代表按下,端口输出低电平代表LED点亮。

5.4 CM3内核的位带操作

Cortex-M3内核中有一个非常有用的功能,叫做位带操作,支持了位带操作以后,可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写。在CM3中,有两个区中实现了位带。其中一个是SRAM区的最低1MB范围,第二个则是片内外设区的最低1MB范围。这两个区中的地址除了可以像普通的RAM一样使用外,它们还都有自己的“位带别名区”,位带别名区把每个比特膨胀成一个32位的字。当你通过位带别名区访问这些字时,就可以达到访问原始比特的目的。下图从另一个侧面演示比特的膨胀对应关系。

单片机

欲设置地址0x20000000中的比特2,则使用位带操作的设置过程如下图所示。

单片机

30年前其实就已经有位带操作的概念了,自8051单片机开始,到现在的CM3内核,位带操作有什么优越性呢?最容易想到的就是通过GPIO的管脚来单独控制每盏LED的点亮与熄灭。另一方面,也对操作串行接口器件提供了很大的方便(典型如74HC165,CD4094)。位带操作使代码更简洁,这只是位带操作优越性的初等体现,位带操作还有一个重要的好处是在务中,用于实现共享资源在任务间的“互锁”访问。多任务的共享资源必须满足一次只有一个任务访问它——亦即所谓的“原子操作”。

5.5 利用位带操作实现GPIO的输入与输出

现在利用位带操作来实现上一题目中的功能。

(1)在sys.h文件中添加实现位带操作的代码。

单片机

(2)修改gpio.h中的代码如下图所示。

单片机

(3)修改gpio.c中的代码如下图所示。

单片机

(4)修改1.c中的代码如下图所示。

单片机

5.6 外部中断的实现

关于STM32F103的中断机制在之前已经详细讲述过,现在利用外部中断来实现上一题目的功能。

(1)修改gpio.c中的代码如下图所示。

单片机

(2)添加代码到文件stm32f103.h中。

单片机

(3)修改1.c中的代码如下图所示。

单片机

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