MCU微课堂 | CKS32F4xx系列产品GPIO口配置

GPIO(General-purpose input/output)是通用输入输出端口的简称，CKS32F4xx系列产品通过GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。最基本的输出功能是由CKS32F4xx系列产品控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入到LED灯，那就可以控制LED灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。最基本的输入功能是检测外部输入电平，如把 GPIO引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。

GPIO硬件结构框图

该图从最右端看起，最右端标注着“I/O”的就是代表CKS32F4xx系列产品引出的GPIO引脚，其余部件都位于芯片内部。引脚处的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于VDD_FT时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，由此可以防止不正常电压引入芯片导致芯片的烧毁。这里要特别注意VDD_FT 代表IO口兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。在芯片数据手册的引脚定义中，会看到有“电平I/O”一列，有FT标注的即为支持5V,如下图所示：

标号1处是上拉、下拉电阻，从它的结构我们可以看出，通过上、下拉对应的开关配置，我们可以控制引脚默认状态下的电压，开启上拉的时候引脚电压为高电平，开启下拉的时候引脚电压为低电平。同时也可以设置“既不上拉也不下拉模式”，我们也把这种状态称为浮空模式。

标号2处是一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。上方的P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭。

标号3处是输出数据寄存器，它为标号2处的双MOS管结构电路提供输入控制信号，因此通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO引脚的输出电平。而图中“置位/复位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

标号4处是复用功能输出，“复用”是指CKS32F4xx系列产品的其它片上外设可以对GPIO引脚进行控制，此时GPIO引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。例如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。

标号5处是输入数据寄存器，它连接到图中的TTL施密特触发器，触发器的基本原理是当输入电压高于正向阈值电压时，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压时，输出为低；IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号，也就是高低电平,并且是TTL电平协议, 然后存储在“输入数据寄存器。因此，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

标号6处是复用功能输入，与“复用功能输出”模式类似，同样，如果我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通讯引脚接收远端数据。

标号7处是模拟输入输出，当 GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，用作“模拟输入”功能，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1 两种状态，所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。同样的，当 GPIO引脚用于DAC作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC 的模拟信号输出就不经过双MOS管结构了，在GPIO结构框图的右下角处，模拟信号直接输出到引脚。

GPIO的工作模式

- 4种输入模式 -

1.浮空输入

浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定。如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

2.上拉输入

在该模式下，如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平。如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平。

3.下拉输入

在该模式下如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平，如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平。

4.模拟功能

当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出。除了ADC和DAC要将IO配置为模拟功能模式之外，其他外设功能一律要配置为复用功能模式。

- 4种输出模式 -

1.开漏输出(带上拉或者下拉)

在该模式下，若MCU控制输出为高电平1时，输出指令是不会起到作用的。此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定，如果没有上拉或者下拉，IO口就处于高阻态。虽然通过软件设置内部上拉，也可以输出高电平，但是CKS32F4xx系列产品内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的,驱动能力很弱。但是在该模式下，当MCU控制输出为低电平0时，即使没有上拉或者下拉，I/O端口也会输出低电平。另一方面，在开漏模式下，施密特触发器是打开的，即输入可用，可以通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O的实际状态。开漏输出主要有以下两点作用：

a. I/O端口设置成开漏输出模式时，可以用来连接不同电平的器件，用来匹配电平，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻。因此我们通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如通过加上上拉电阻就可以提供TTL电平-CMOS电平的输出。

b.当多个设置为开漏输出的引脚连接到一条总线上时。通过外加一个上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，这些引脚形成了“与逻辑”关系，即“线与”。如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，那么与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以总线上的逻辑电平便为0。只有都为高电平时，总线上的电平才为1。在IIC通信中，引脚通常设置为开漏输出模式。

2.复用开漏输出(带上拉或者下拉)

此时GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；即输出的高低电平来源于其它外设，除了输出信号的来源改变之外，其他的与开漏输出功能相同。

3.推挽输出(带上拉或者下拉)

在该模式下，如果我们控制输出为0，低电平，则I/O端口的电平就是低电平。若控制输出为1，高电平，则I/O端口的电平就是高电平。此时，外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出IO口的默认电平。在该模式下，施密特触发器也是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。

4.复用推挽输出(带上拉或者下拉)

此时GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；即输出的高低电平来源于其它外设，除了输出信号的来源改变之外，其他的与推挽输出功能相同。

- 4种输出速度 -

1. 2MHZ(低速)

2. 25MHZ(中速)

3. 50MHZ(快速)

4. 100MHZ(高速)

GPIO的引脚速度又称输出驱动电路的响应速度，即一个驱动电路可以不失真地通过信号的最大频率。比如信号频率为10MHz，而我们把GPIO速度配置成了2MHz，则10MHz的方波很可能就变成了正弦波，发生了失真。芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，我们可以根据自己的需要选择合适的驱动电路，通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。因为GPIO口的速度配置越高，噪声越大，功耗也越大。比如在USART串口通信中，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就够了，既省电，噪声也小；而在SPI接口中，若使用18M或9M的波特率，则需要选用50M的GPIO的引脚速度。

注意：CKS32F407用于配置PA13输出速度的GPIOA_OSPEEDR寄存器的端口 13配置位(GPIOA_OSPEEDR_OSPEEDR13[1:0])初始值为00，即PA13的I/O输出速度默认为低速。因此客户在实际使用CKS32F407时，要按照参考手册中的介绍来配置GPIOA_OSPEED寄存器中 OSPEEDR13[1:0]位，从而来选择PA13的I/O输出指定的速度。

GPIO的配置

接下来我们讲解如何利用CKS32F4xx系列固件库对GPIO口的工作模式进行配置。首先，固件库中定义了一个如下的结构体：

 

typedef struct
{  
  uint32_t GPIO_Pin;               
  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;      
  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;    
  GPIOOType_TypeDef GPIO_OType;    
  GPIOPuPd_TypeDef GPIO_PuPd;    
} GPIO_InitTypeDef;

 

通过对该结构体成员中各个变量的初始化，就可以完成对2.2小节中所讲的GPIO口的工作模式配置。结构体中各个成员变量的介绍及初始化时可被赋的值如下：

1)GPIO_Pin:用来选择要控制的GPIO引脚，在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

 

#define GPIO_Pin_0                 ((uint16_t)0x0001) 
#define GPIO_Pin_1                 ((uint16_t)0x0002) 
#define GPIO_Pin_2                 ((uint16_t)0x0004)  
#define GPIO_Pin_3                 ((uint16_t)0x0008) 
#define GPIO_Pin_4                 ((uint16_t)0x0010)  
#define GPIO_Pin_5                 ((uint16_t)0x0020)  
#define GPIO_Pin_6                 ((uint16_t)0x0040) 
#define GPIO_Pin_7                 ((uint16_t)0x0080)  
#define GPIO_Pin_8                 ((uint16_t)0x0100) 
#define GPIO_Pin_9                 ((uint16_t)0x0200)  
#define GPIO_Pin_10                ((uint16_t)0x0400) 
#define GPIO_Pin_11                ((uint16_t)0x0800) 
#define GPIO_Pin_12                ((uint16_t)0x1000) 
#define GPIO_Pin_13                ((uint16_t)0x2000) 
#define GPIO_Pin_14                ((uint16_t)0x4000)  
#define GPIO_Pin_15                ((uint16_t)0x8000) 
#define GPIO_Pin_All               ((uint16_t)0xFFFF)

 

2) GPIO_Mode:用来设置已经选择的GPIO引脚的模式，在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

 

typedef enum
{   
   GPIO_Mode_IN   = 0x00, /*!设置为输入模式 */  
   GPIO_Mode_OUT  = 0x01, /*!设置为输出模式*/  
   GPIO_Mode_AF   = 0x02, /*!设置为复用模式 */  
   GPIO_Mode_AN   = 0x03  /*!设置为模拟模式*/
}GPIOMode_TypeDef;

 

3) GPIO_Speed:用来设置已经选择的GPIO引脚的速度，在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

 

#define  GPIO_Speed_2MHz    GPIO_Low_Speed    
#define  GPIO_Speed_25MHz   GPIO_Medium_Speed 
#define  GPIO_Speed_50MHz   GPIO_Fast_Speed 
#define  GPIO_Speed_100MHz  GPIO_High_Speed

 

4) GPIO_OType:用来设置已经选择的GPIO引脚的输出模式，只有输出模式才需要该配置，输入模式下不需要该配置。在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

 

typedef enum
{   
   GPIO_OType_PP = 0x00, /*!设置为推挽输出模式 */  
   GPIO_OType_OD = 0x01  /*!设置为开漏输出模式 */
}GPIOOType_TypeDef;

 

5) GPIO_PuPd:用来设置已经选择的GPIO引脚的上下拉，在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

 

typedef enum
{   
   GPIO_PuPd_NOPULL = 0x00, /*!设置为既不上拉也不下拉/浮空模式 */  
   GPIO_PuPd_UP     = 0x01, /*!设置为上拉模式*/  
   GPIO_PuPd_DOWN   = 0x02  /*!设置为下拉模式*/
}GPIOPuPd_TypeDef;

 

根据上面所讲解的配置方法，我们讲解标准库下的3个实际配置实例。

1) 作为普通的GPIO口输出，控制LED灯的亮灭，其GPIO口初始化函数如下：

 

void LED_GPIO_Init(void)
{         
   GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;  
   RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF,ENABLE);//使能GPIOF时钟  
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;//LED1对应的IO口  
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//输出模式  
   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽模式  
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//速度100MHz  
   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉  
   GPIO_Init(GPIOF,  GPIO_InitStructure);//初始化GPIO
}

 

2) 复用为CAN外设的输出。

 

void CAN1_GPIO_Init(void)
{    
   GPIO_InitTypeDef         
   GPIO_InitStructure;   
   RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能PORTA时钟                                          
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11| GPIO_Pin_12;    
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;  //复用功能    
   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    GPIO_Init(GPIOA,  GPIO_InitStructure);//初始化PA11,PA12   
   GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource11,GPIO_AF_CAN1); //GPIOA11复用为CAN1   
   GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource12,GPIO_AF_CAN1); //GPIOA12复用为CAN1

 

3) 当ADC采集的输入通道，作为普通模拟输入。

 

void  ADC_Init(void)
{      
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;  
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA时钟  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;//PA5 通道5  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//模拟输入  
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不带上下拉  
    GPIO_Init(GPIOA,  GPIO_InitStructure);//初始化
 }

 

来源：中科芯MCU

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审核编辑 黄宇