CKS32F107xx系列MCU的GPIO内部硬件结构和工作模式

GPIO简介

GPIO是通用输入输出端口的简称，也是CKS32可控制的引脚，CKS32芯片的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。CKS32芯片的GPIO被分成很多组，每组有16个引脚，如型号为CKS2F107VET6型号的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC至GPIOE共5组GPIO，芯片一共100个引脚，其中GPIO就占了一大部分，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。

最基本的输出功能是由CKS32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框图结构分析

CKS32F107系列MCU的GPIO内部硬件结构如下图所示，通过GPIO硬件结构框图，可以从整体上深入了解GPIO外设及它的各种应用模式。该图从最右端看起，最右端就是代表 MCU引出的 GPIO引脚，其余部件都位于MCU芯片内部。

图1 GPIO硬件结构框图

序号①是引脚的两个保护二级管，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，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。尽管有这样的保护，并不意味着CKS32的GPIO能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，如果强制驱动可能会造成电机不转或者导致芯片烧坏，必须要在GPIO和电机之间增加大功率及隔离电路驱动。

序号②是GPIO引脚线路经过两个保护二极管后，下方“输出模式”电路中的一个由P-MOS和N-MOS管组成的结构单元。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式，输出模式是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P管负责灌电流，N管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为0伏，高电平为3.3伏，推挽等效电路如下图（左）。推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3伏而且需要高速切换开关状态的场合。在实际应用中，除了必须用开漏模式的场合，一般都习惯使用推挽输出模式。

图2 GPIO硬件结构框图

在开漏输出模式时，上方的P-MOS管完全不工作。如果我们控制输出为0低电平，则 P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1 (它无法直接输出高电平) 时，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态，因此正常使用时必须外部接上拉电阻。开漏等效电路如上图（右），它具有“线与”特性，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平0伏。开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏的电平。

序号③是GPIO输出数据寄存器组，前面提到的双MOS管结构电路输入信号，就是由这个寄存器组中的GPIOx_ODR提供的，因此我们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“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。

序号④是连接MCU片内外设和GPIO引脚的复用功能输出模块，通过此功能可以将GPIO引脚用作指定外设功能的一部分，算是GPIO的第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据据寄存器都连接到双MOS管结构的输入中，通过内部开关切换选择。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。

序号⑤是输入数据寄存器组，位于GPIO结构框图的上半部分，GPIO引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0/1数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以获取GPIO引脚的电平状态。

序号⑥是连接MCU片内外设和GPIO引脚的复用功能输入模块，与序号④类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO引脚的信号传输到指定片内外设，由该外设读取引脚状态。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，由串口外设控制该引脚接收外部数据。

序号⑦是用于ADC采集电压输入通道的专用“模拟输入”功能，由于ADC外设要采集到原始的模拟信号，所以输入信号不经过施密特触发器，因为经过施密特触发器后信号只有0/1两种状态。类似地，当GPIO引脚作为“模拟输出”功能用于DAC模拟电压输出通道时，模拟信号输出也不经过双MOS管结构而直接输出到GPIO引脚。

GPIO工作模式总结

根据上述结构分析，可以总结出在固件库中GPIO可以配置成如下8种工作模式，且大致归为三类。

//Configuration Mode enumeration

typedef enum

{

    GPIO_Mode_AIN = 0x0,                    //模拟输入

    GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,     //浮空输入

    GPIO_Mode_IPD = 0x28,                  //下拉输入

    GPIO_Mode_IPU = 0x48,                  //上拉输入

    GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,            //开漏输出

    GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,             //推挽输出

    GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,             //复用开漏输出

    GPIO_Mode_AF_PP = 0x18               //复用推挽输出

} GPIOMode_TypeDef;

第一类是输入模式（模拟/浮空/上拉/下拉），在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则专用于ADC采集。

第二类是输出模式（推挽/开漏），在推挽模式时双MOS管以轮流方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS管工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，此处的输出速度即I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大。在输出模式时施密特触发器是打开的，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。

第三类是复用功能模式（推挽/开漏），复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。

以上各类型的GPIO口每一个都可以自由编程，此外，CKS32F107的很多IO口都是5V兼容的，这些IO口在与5V电平的外设连接的时候很有优势，具体哪些IO口是5V兼容的，可以从该芯片的数据手册管脚描述章节查到（I/O Level标FT的就是5V电平兼容的）。

GPIO寄存器

CKS32的GPIO口寄存器必须要按32位字被访问，每个IO端口都有7个寄存器来控制。分别是：配置模式的2个32位的端口配置寄存器CRL和CRH；2个32位的数据寄存器IDR和ODR；1个32位的置位/复位寄存器BSRR；一个16位的复位寄存器BRR；1个32位的锁存寄存器LCKR。如果想要了解每个寄存器的详细使用方法，可以参考《CKS32F107参考手册》。

（1）CRL和CRH控制着每个IO口的模式及输出速率,本文以CRL为例，看看端口低配置寄存器的描述，如下图所示。该寄存器的复位值为0x44444444，从图中可以看到，复位值其实就是配置端口为浮空输入模式。从下图还可以得出：CRL控制着每组IO端口的低8位模式。每个IO端口的位占用CRL的4个位，高两位为CNF，低两位为MODE。这里我们可以记住几个常用的配置，比如0x0表示模拟输入模式（ADC用）、0x3表示推挽输出模式（做输出口用，50M速率）、0x8表示上/下拉输入模式（做输入口用）、0xB表示复用输出（使用IO口的第二功能，50M速率）。CRH的作用和CRL完全一样，只是CRL控制的是低8位输出口，而CRH控制的是高8位输出口。这里我们对CRH就不做详细介绍了。

图3 GPIOx_CRL寄存器

（2）IDR是一个端口输入数据寄存器，低16位有效。该寄存器为只读寄存器，并且只能以16位的形式读出。该寄存器各位的描述如下图所示：

图4 GPIOx_CRL寄存器

（3）ODR是一个端口输出数据寄存器，也只用了低16位。该寄存器为可读写，从该寄存器读出来的数据可以用于判断当前IO口的输出状态。而向该寄存器写数据，则可以控制某个IO口的输出电平。该寄存器的各位描述如下图所示：

图5 GPIOx_CRL寄存器

（4）BSRR寄存器是端口位设置/清除寄存器。该寄存器和ODR寄存器具有类似的作用，都可以用来设置GPIO端口的输出位是1还是0。

图6 GPIOx_CRL寄存器

通过固件库操作GPIO

CKS32F107系列GPIO相关的函数和定义分布在固件库文件cks32f10x_gpio.c和头文件 cks32f10x_gpio.h文件中。在固件库开发中，操作寄存器CRH和CRL来配置IO口的模式和速度是通过GPIO初始化函数完成的。

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

这个函数有两个参数，第一个参数是用来指定GPIO，取值范围为GPIOA~GPIOG。第二个参数为初始化参数结构体指针，结构体类型为GPIO_InitTypeDef。结构体的定义如下：

typedef struct

{

    uint16_t GPIO_Pin;

    GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;

    GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;

}GPIO_InitTypeDef; 

下面通过一个GPIO初始化实例来讲解这个结构体的成员变量的含义。代码的意思是设置GPIOB的第5个端口为推挽输出模式，同时速度为50M。结构体GPIO_InitStructure的第一个成员变量GPIO_Pin用来设置是要初始化哪个或者哪些IO口；第二个成员变量GPIO_Mode是用来设置对应IO端口的输出输入模式；第三个参数是IO口速度设置。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;               //PB5端口配置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   //推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //速度50MHz

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                                   //根据设定参数配置 GPIO

在固件库中操作IDR寄存器读取IO端口数据是通过GPIO_ReadInputDataBit函数实现的。比如我要读GPIOA5的电平状态，那么方法是：

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);

在固件库中设置ODR寄存器的值来控制IO口的输出状态是通过函数GPIO_Write来实现的，该函数一般用来一次性往一个GPIO的多个端口设值。

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal); 

该寄存器通过举例子可以很清楚了解它的使用方法。例如你要设置GPIOA的第1个端口值为1，那么你只需要往寄存器BSRR的低16位对应位写1即可。该寄存器往相应位写0是无影响的，所以我们要设置某些位，我们不用管其他位的值。

GPIOA->BSRR = 1 << 1; 

在固件库中，通过BSRR和BRR寄存器设置GPIO端口输出是通过函数GPIO_SetBits()和函数GPIO_ResetBits()来完成的。在多数情况下，我们都是采用这两个函数来设置GPIO端口的输入和输出状态。比如我们要设置GPIOB5输出1和0，那么方法为：

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);

GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);

GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5); 

GPIO相关的库函数我们先讲解到这里。虽然IO操作步骤很简单，这里还是做个概括总结，操作步骤为：（1）使能IO口时钟，调用函数RCC_APB2PeriphClockCmd()；（2）初始化IO参数，调用函数GPIO_Init()；（3）操作IO。下面我们来讲解一个基于CKS32F107VxT6开发板的GPIO按键输入和GPIO输出实验软件例程。

实验例程

编程要点

（1）使能GPIO端口时钟；

（2）初始化GPIO按键引脚为输入模式(上拉输入)；

（3）初始化GPIO LED引脚为输出模式(推挽输出)；

（4）编写简单测试程序，检测按键的状态，实现按键控制LED灯。

代码分析

（1）按键检测引脚相关宏定义

//  引脚定义

#define    KEY1_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOC

#define    KEY1_GPIO_PORT    GPIOC      

#define    KEY1_GPIO_PIN     GPIO_Pin_0

#define    LED1_GPIO_PORT    GPIOB         

#define    LED1_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOB

#define    LED1_GPIO_PIN    GPIO_Pin_15

（2）按键GPIO初始化函数

void Key_GPIO_Config(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

   /*开启按键端口的时钟*/

    RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY1_GPIO_CLK,ENABLE);          

                                          //选择按键的引脚

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_GPIO_PIN;   

                                          // 设置按键的引脚为浮空输入

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  

                                          //使用结构体初始化按键

    GPIO_Init(KEY1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

}

（3）LED GPIO初始化函数

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_APB2PeriphClockCmd(LED1_GPIO_CLK, ENABLE);

  /*选择要控制的GPIO引脚*/

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED1_GPIO_PIN;

  /*设置引脚模式为通用推挽输出*/

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   

  /*设置引脚速率为50MHz */   

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  /*调用库函数，初始化GPIO*/

    GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

  /* 关闭led灯 */

    GPIO_SetBits(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN);

}

（4）主函数

int main(void)

{

    /* LED端口初始化 */

    LED_GPIO_Config();

    /* 按键端口初始化 */

    Key_GPIO_Config();

    /* 轮询按键状态，若按键按下则反转LED */

   while(1)                            

     {  

        if(GPIO_ReadInputDataBit(KEY1_GPIO_PORT,        KEY1_GPIO_PIN) == Bit_RESET)

        {

          GPIO_WriteBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN, Bit_SET);

        }

        else

        {

          GPIO_WriteBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN, Bit_RESET);

        }   

     }

}

代码中先初始化LED灯及按键后，在while函数里不断读取查询并判断按键是否按下，若返回值表示按键按下，则反转LED灯的状态。