代码收藏家技术教程 2024-09-03

【STM32】GPIO详解与操作指南

一、概述

GPIO,即通用I/O(输入/输出)端口，是STM32可控制的引脚。STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。STM32F407有8组IO。分别为GPIOA~GPIOH，除了GPIOH只有两个IO，其余每组IO有16根引脚。

GPIO的复用：

STM32F4 有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与 GPIO 共用的。也就是说，一个引脚可以有很多作用，但是默认为IO口，如果想使用一个 GPIO内置外设的功能引脚，就需要GPIO的复用，那么当这个 GPIO 作为内置外设使用的时候，就叫做复用。比如说串口就是GPIO复用为串口。

二、GPIO的工作模式

4种输入模式

（1）浮空输入（即不连接内部上下拉电阻）

浮空最大的特点就是电压的不确定性,它可能是0V,也可能是VCC,还可能是介于两者之间的某个值(最有可能). 浮空一般用来做ADC输入用,这样可以减少上下拉电阻对结果的影响.

（2）上拉输入（连接上拉电阻）

将不确定信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时限流作用

（3）下拉输入（连接下拉电阻）

将不确定信号通过一个电阻钳位在低电平

（4）模拟输入

用于检测模拟信号的输入

4种输出模式

（5）开漏输出（带上拉或者下拉）

可实现电平转换，输出电平取决于上拉电阻电源
可以实现IO的线与
缺点
    高电平驱动能力差，取决于外部上拉电阻
    电平切换速率取决于外部上拉电阻，电阻越小速度越快

开漏输出，P-MOS永远都是截至

N-MOS导通，输出低电平

N-MOS截至

电平切换

线与特性，有一个低电平，所有引脚都被拉低

（6）推挽输出（带上拉或者下拉）

输出高低电平与电源电压基本没有压差
高低电平驱动能力较强，一般数字芯片推挽输出IO口驱动电流最大可达20mA
电平切换速度快
缺点
	不支持线与

（7）复用开漏输出（带上拉或者下拉）

（8）复用推挽输出（带上拉或者下拉）

4种最大输出速度

（1）2MHZ (低速)

（2）25MHZ (中速)

（3）50MHZ (快速)

（4）100MHZ (高速)

输出配置

对 I/O 端口进行编程作为输出时：

输出缓冲器被打开：

–开漏模式（常用于总线）：输出寄存器中的“0”可激活 N-MOS，而输出寄存器中的“1”会使端口保持高阻态 (Hi-Z)（P-MOS 始终不激活）。

–推挽模式：输出寄存器中的“0”可激活 N-MOS，而输出寄存器中的“1”可激活P-MOS。

施密特触发器输入被打开

根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否打开弱上拉电阻和下拉电阻

输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样

对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态

对输出数据寄存器的读访问可获取最后的写入值

推挽电路（push-pull）就是两个不同极性晶体管间连接的输出电路。推挽电路采用两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。

在电路设计中，推挽输出是一种很常用的输出模式。推挽输出有很多优点，比如更低的损耗，更安全的输出等。“推挽”之意，即为当一个管子推出去时，另一个管子拉回来。输入不同，交替导通。

举个例子

当输入信号为高电平的时候，上面的管子导通，下面的管子截止，输出信号为高电平。

当输入信号为低电平的时候，上面的管子截止，下面的管子导通，输出信号为低电平。

MOS管

N型mos比P型mos管使用的多

N型mos管比P型mos管的开关速度快（工艺的影响），所以Pmos开关损耗多，发热严重

Nmos比Pmos耐压高

Nmos通过电流能力比较大，因此常用于推挽电路的下管。

输入配置

对 I/O 端口进行编程作为输入时：

输出缓冲器被关闭

施密特触发器输入被打开

根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否打开上拉和下拉电阻

输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样

对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态

复用功能配置

对 I/O 端口进行编程作为复用功能时：

可将输出缓冲器配置为开漏或推挽

输出缓冲器由来自外设的信号驱动（发送器使能和数据）

施密特触发器输入被打开

根据 GPIOx_PUPDR 寄存器中的值决定是否打开弱上拉电阻和下拉电阻

输入数据寄存器每隔 1 个 AHB1 时钟周期对 I/O 引脚上的数据进行一次采样

对输入数据寄存器的读访问可获取 I/O 状态

模拟配置

对 I/O 端口进行编程作为模拟配置时：

输出缓冲器被禁止。

施密特触发器输入停用，I/O 引脚的每个模拟输入的功耗变为零。施密特触发器的输出被强制处理为恒定值 (0)。

弱上拉和下拉电阻被关闭。

对输入数据寄存器的读访问值为“0”。

在模拟配置中，I/O 引脚不能为 5 V 容忍

三、使用库函数编程技巧

阅读硬件原理图《中科深谷_STM32F4_原理图_V2.0.pdf》，了解当前需要使用STM32芯片哪个硬件，就可以知道使用哪些库函数接口。
使用库函数的时候，只需要了解该函数的使用方法，如传入参数、返回值、功能描述就足矣。库函数里面的编写内容不需要了解，这些代码都是由ST公司去实现的。
如何使用库函数实现一个具体的功能，ST公司都会提供例子文档，告诉我们库函数如何使用，如函数前后的调用顺序，详细硬件初始化流程，无论是新手还是老手都要看。

STM32F4xx中文参考手册.pdf

stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm

使用的编程标准C，也就是ANSI C编程。

四、研究库函数

库函数参考有两种方法：

1.参考库函数源码，逐步进行阅读，仅供于参考，详细如下。

===============================================================================                       ##### How to use this driver #####  ===============================================================================         [..]                 (#) Enable the GPIO AHB clock using the following function        RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOx, ENABLE);                    (#) Configure the GPIO pin(s) using GPIO_Init()        Four possible configuration are available for each pin:        (++) Input: Floating, Pull-up, Pull-down.        (++) Output: Push-Pull (Pull-up, Pull-down or no Pull)             Open Drain (Pull-up, Pull-down or no Pull). In output mode, the speed              is configurable: 2 MHz, 25 MHz, 50 MHz or 100 MHz.        (++) Alternate Function: Push-Pull (Pull-up, Pull-down or no Pull) Open              Drain (Pull-up, Pull-down or no Pull).        (++) Analog: required mode when a pin is to be used as ADC channel or DAC              output.        (#) Peripherals alternate function:        (++) For ADC and DAC, configure the desired pin in analog mode using              GPIO_InitStruct->GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;             (+++) For other peripherals (TIM, USART...):             (+++) Connect the pin to the desired peripherals' Alternate                       Function (AF) using GPIO_PinAFConfig() function             (+++) Configure the desired pin in alternate function mode using                      GPIO_InitStruct->GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF             (+++) Select the type, pull-up/pull-down and output speed via                       GPIO_PuPd, GPIO_OType and GPIO_Speed members             (+++) Call GPIO_Init() function               (#) To get the level of a pin configured in input mode use GPIO_ReadInputDataBit()                 (#) To set/reset the level of a pin configured in output mode use         GPIO_SetBits()/GPIO_ResetBits()                      (#) During and just after reset, the alternate functions are not         active and the GPIO pins are configured in input floating mode (except JTAG        pins).

2.借力帮助文档

五、函数接口

1.端口硬件时钟使能

/**

  - @brief  Enables or disables the AHB1 peripheral clock.
  - @note   After reset, the peripheral clock (used for registers read/write access)
  - is disabled and the application software has to enable this clock before 
  - using it.   
  - @param  RCC_AHBPeriph: specifies the AHB1 peripheral to gates its clock.
  - This parameter can be any combination of the following values:
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOA:       GPIOA clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOB:       GPIOB clock 
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOC:       GPIOC clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOD:       GPIOD clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOE:       GPIOE clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOF:       GPIOF clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOG:       GPIOG clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOG:       GPIOG clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOI:       GPIOI clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOJ:       GPIOJ clock (STM32F42xxx/43xxx devices) 
  - @arg RCC_AHB1Periph_GPIOK:       GPIOK clock (STM32F42xxx/43xxx devices)  
  - @arg RCC_AHB1Periph_CRC:         CRC clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_BKPSRAM:     BKPSRAM interface clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_CCMDATARAMEN CCM data RAM interface clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_DMA1:        DMA1 clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_DMA2:        DMA2 clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_DMA2D:       DMA2D clock (STM32F429xx/439xx devices)  
  - @arg RCC_AHB1Periph_ETH_MAC:     Ethernet MAC clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_ETH_MAC_Tx:  Ethernet Transmission clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_ETH_MAC_Rx:  Ethernet Reception clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_ETH_MAC_PTP: Ethernet PTP clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_OTG_HS:      USB OTG HS clock
  - @arg RCC_AHB1Periph_OTG_HS_ULPI: USB OTG HS ULPI clock
  - @param  NewState: new state of the specified peripheral clock.
  - This parameter can be: ENABLE or DISABLE.
  - @retval None
  	*/
  	void RCC_AHB1PeriphClockCmd(uint32_t RCC_AHB1Periph, FunctionalState NewState)

2.GPIO的初始化

/**

  - @brief  Initializes the GPIOx peripheral according to the specified parameters in the GPIO_InitStruct.
  - @param  GPIOx: where x can be (A..K) to select the GPIO peripheral for STM32F405xx/407xx and STM32F415xx/417xx devices
  - x can be (A..I) to select the GPIO peripheral for STM32F42xxx/43xxx devices.
  - x can be (A, B, C, D and H) to select the GPIO peripheral for STM32F401xx devices.   
  - @param  GPIO_InitStruct: pointer to a GPIO_InitTypeDef structure that contains
  - the configuration information for the specified GPIO peripheral.
  - @retval None
  */
  	void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct)

3.GPIO初始化结构体

/** 
  * @brief   GPIO Init structure definition  
  */ 
typedef struct
{
  uint32_t GPIO_Pin;              /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.
                                       This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */

  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;     /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.
                                       This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */

  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;   /*!< Specifies the speed for the selected pins.
                                       This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */

  GPIOOType_TypeDef GPIO_OType;   /*!< Specifies the operating output type for the selected pins.
                                       This parameter can be a value of @ref GPIOOType_TypeDef */

  GPIOPuPd_TypeDef GPIO_PuPd;     /*!< Specifies the operating Pull-up/Pull down for the selected pins.
                                       This parameter can be a value of @ref GPIOPuPd_TypeDef */
}GPIO_InitTypeDef;

4.GPIO的引脚电平设置

设置高电平

/**

  - @brief  Sets the selected data port bits.
  - @note   This functions uses GPIOx_BSRR register to allow atomic read/modify 
  - accesses. In this way, there is no risk of an IRQ occurring between
  - the read and the modify access.
  - @param  GPIOx: where x can be (A..K) to select the GPIO peripheral for STM32F405xx/407xx and STM32F415xx/417xx devices
  - x can be (A..I) to select the GPIO peripheral for STM32F42xxx/43xxx devices.
  - x can be (A, B, C, D and H) to select the GPIO peripheral for STM32F401xx devices. 
  - @param  GPIO_Pin: specifies the port bits to be written.
  - This parameter can be any combination of GPIO_Pin_x where x can be (0..15).
  - @retval None
  */
  void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

设置低电平

/**

  - @brief  Clears the selected data port bits.
  - @note   This functions uses GPIOx_BSRR register to allow atomic read/modify 
  - accesses. In this way, there is no risk of an IRQ occurring between
  - the read and the modify access.
  - @param  GPIOx: where x can be (A..K) to select the GPIO peripheral for STM32F405xx/407xx and STM32F415xx/417xx devices
  - x can be (A..I) to select the GPIO peripheral for STM32F42xxx/43xxx devices.
  - x can be (A, B, C, D and H) to select the GPIO peripheral for STM32F401xx devices. 
  - @param  GPIO_Pin: specifies the port bits to be written.
  - This parameter can be any combination of GPIO_Pin_x where x can be (0..15).
  - @retval None
  	*/
  void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

设置引脚电平，可以尝试GPIO_Write、GPIO_WriteBit函数。

读取某个端口引脚电平

/**

  - @brief  Reads the specified input port pin.
  - @param  GPIOx: where x can be (A..K) to select the GPIO peripheral for STM32F405xx/407xx and STM32F415xx/417xx devices
  - x can be (A..I) to select the GPIO peripheral for STM32F42xxx/43xxx devices.
  - x can be (A, B, C, D and H) to select the GPIO peripheral for STM32F401xx devices. 
  - @param  GPIO_Pin: specifies the port bit to read.
  - This parameter can be GPIO_Pin_x where x can be (0..15).
  - @retval The input port pin value.
  	*/
  	uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)

六、LED实验

本章用到的硬件只有 LED（DS0 和 DS1）。其电路在 VSTC STM32F4 开发板
上默认是已经连接好了的。 DS0 接 PF9， DS1 接 PF10。所以在硬件上不需要动任何东西。其连
接原理图如图下：

练习1：、

实现流水灯，每隔一段时间点亮对应一盏灯。

#include "stm32f4xx.h"
    
    // 定义GPIO外设
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    
    void delay(void)
    {
    	int i = 0x500000;
    	while(i--);
    }
    
    // 初始化LED
    void init_led(void)
    {
    	// 使能F组管脚工作
    	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);
    
    	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_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
    	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; // 无拉电阻
    	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_High_Speed;
    	// 初始化GPIO
    	GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);
    }
    
    int main(void)
    {
    	// 初始化LED
    	init_led();
    	
    	while(1)
    	{
    		GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);
    		GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10);
    		delay();
    		GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_10);
    		GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9);
    		delay();
    		
    	}
    
    }

七. 工程文件封装

  1. 创建模块管理目录

     重复以上操作创建led.h文件

      头文件添加函数声明

     源文件添加模块初始化

     将封装好的各模块添加到工程

     完成后如图所示

练习2

实现呼吸灯

    // led.h
    #ifndef _LED_H
    #define _LED_H
    
    #include "stm32f4xx.h"
    
    // 声明led
    void init_led(void);
    
    #endif

//led.c
#include "led.h"

// 初始化LED
void init_led(void)
{
	// 定义GPIO外设
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
	// 使能F组管脚工作
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);

	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_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; // 无拉电阻
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_High_Speed;
	// 初始化GPIO
	GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);
}

// main.c
#include "led.h"

void delay(int i)
{
	while(i--);
}

int main()
{
	init_led();
	
	while(1)
	{
		int count = 0x10000;
		int i ;
		// 由暗变亮
		for(i = 0; i < count; i++)
		{
			GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10);
			delay(i);
			GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10);
			delay(count-i);
		}
		
		// 由亮变暗
		for(i = count; i > 0; i--)
		{
			GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10);
			delay(i);
			GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10);
			delay(count-i);
		}
		
	}
	
}

七、蜂鸣器

介绍

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣
器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

这里的有源不是指电源的“源”，而是指有没有自带震荡电路，有源蜂鸣器自带了震荡电路，
一通电就会发声；无源蜂鸣器则没有自带震荡电路，必须外部提供 2~5Khz 左右的方波驱动，
才能发声。

硬件设计

DS0 在上一章已有介绍，而蜂鸣器在硬件上也是直接连接好了的，不需要经过任何设置，
直接编写代码就可以了。蜂鸣器的驱动信号连接在 STM32F4 的 PF8 上。

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);

	// 初始化蜂鸣器
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;// 输出模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;// 推挽
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; 
	//GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
	GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);
	
	while(1)
	{
		// 低电平响
		GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_8);
		//GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_8);
	}

八、按键

STM32F4 开发板上载有的 4 个按钮（KEY_UP、KEY0、 KEY1 和 KEY2），按键 KEY0 连接在 PE4 上、 KEY1 连接在 PE3 上、 KEY2 连接在 PE2 上、 KEY_UP，连接在 PA0 上。

这里需要注意的是： KEY0、 KEY1 和 KEY2 是低电平有效的，而 KEY_UP 是高电平有效
的，并且外部都没有上下拉电阻，所以，需要在 STM32F4 内部设置上下拉。

作业：

按一下key_up蜂鸣器响，再按一次停止
按key0红灯亮，再按一次灭
按key1绿灯亮，再按一次灭
按key2红绿灯亮，再按一次灭

九、应用领域

1.常见密码锁，矩阵键盘

作者：DS陈工

stm32 单片机嵌入式硬件

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二、GPIO的工作模式

六、LED实验

练习1： 、

七. 工程文件封装

练习2

七、蜂鸣器

八、按键

作业：

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