代码收藏家技术教程 2025-02-17

STMicroelectronics 系列：STM32L1 系列_（7）.STM32L1系列GPIO应用

STM32L1系列GPIO应用

1. GPIO概述

1.1 GPIO的基本概念

通用输入输出（General Purpose Input Output，简称GPIO）是微控制器中的一种基本功能，用于实现与外部设备的交互。STM32L1系列微控制器的GPIO功能非常强大，支持多种工作模式，包括输入、输出、复用功能等。GPIO的工作模式和配置可以通过寄存器进行灵活设置，以满足不同应用场景的需求。

1.2 GPIO的特点

低功耗：STM32L1系列微控制器的设计重点之一是低功耗，GPIO也不例外，支持多种低功耗模式。

多种工作模式：输入模式、输出模式、复用功能模式、模拟模式等。

灵活的配置：可以通过寄存器配置GPIO的模式、速度、上拉/下拉状态等。

中断功能：GPIO可以配置为外部中断源，响应外部事件。

多路复用：GPIO可以复用为多种外设功能，如I2C、UART、SPI等。

2. GPIO寄存器配置

2.1 GPIO寄存器结构

STM32L1系列微控制器的GPIO寄存器结构如下：

MODER：模式寄存器，用于配置GPIO的模式。

OTYPER：输出类型寄存器，用于配置GPIO的输出类型（推挽或开漏）。

OSPEEDR：输出速度寄存器，用于配置GPIO的输出速度。

PUPDR：上拉/下拉寄存器，用于配置GPIO的上拉/下拉状态。

IDR：输入数据寄存器，用于读取GPIO的输入状态。

ODR：输出数据寄存器，用于设置GPIO的输出状态。

BSRR：复位寄存器，用于设置或复位GPIO的输出状态。

LCKR：锁定寄存器，用于锁定GPIO的配置。

AFRL和AFRH：复用功能寄存器，用于配置GPIO的复用功能。

2.2 寄存器配置示例

以下是一个配置GPIO为输出模式的示例代码：


#include "stm32l1xx.h"



void GPIO_Config(void) {

    // 使能GPIOA时钟

    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN;



    // 配置PA0为推挽输出模式

    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_0; // 01: 通用推挽输出

    GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT0; // 0: 推挽输出

    GPIOA->OSPEEDR &= ~GPIO_OSPEEDR_OSPEED0; // 00: 低速输出

    GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPD0; // 00: 无上拉/下拉

}



int main(void) {

    // 初始化GPIO

    GPIO_Config();



    while (1) {

        // 设置PA0输出高电平

        GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_0;



        // 延时

        for (volatile uint32_t i = 0; i < 1000000; i++);



        // 设置PA0输出低电平

        GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_0;



        // 延时

        for (volatile uint32_t i = 0; i < 1000000; i++);

    }

}

2.3 代码解释

使能GPIOA时钟：通过设置RCC的AHBENR寄存器位，使能GPIOA的时钟。
配置PA0为推挽输出模式：
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_0;：设置PA0为通用推挽输出模式。
GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT0;：设置PA0为推挽输出类型。
GPIOA->OSPEEDR &= ~GPIO_OSPEEDR_OSPEED0;：设置PA0为低速输出。
GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPD0;：设置PA0为无上拉/下拉。
设置和复位PA0的输出状态：
GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_0;：设置PA0为高电平。
GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_0;：设置PA0为低电平。
延时：使用简单的延时循环来实现LED的闪烁效果。

3. GPIO输入模式配置

3.1 输入模式概述

GPIO可以配置为输入模式，用于读取外部信号。STM32L1系列支持多种输入模式，包括浮空输入、上拉输入和下拉输入。

3.2 配置浮空输入模式

以下是一个配置GPIO为浮空输入模式的示例代码：


#include "stm32l1xx.h"



void GPIO_Config(void) {

    // 使能GPIOA时钟

    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN;



    // 配置PA0为浮空输入模式

    GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0; // 00: 输入模式

    GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPD0; // 00: 无上拉/下拉

}



int main(void) {

    // 初始化GPIO

    GPIO_Config();



    while (1) {

        // 读取PA0的输入状态

        uint32_t state = GPIOA->IDR & GPIO_IDR_ID0;



        if (state) {

            // PA0为高电平

            GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_0; // 设置PA1为高电平

        } else {

            // PA0为低电平

            GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_0; // 设置PA1为低电平

        }



        // 延时

        for (volatile uint32_t i = 0; i < 1000000; i++);

    }

}

3.3 配置上拉输入模式

以下是一个配置GPIO为上拉输入模式的示例代码：


#include "stm32l1xx.h"



void GPIO_Config(void) {

    // 使能GPIOA时钟

    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN;



    // 配置PA0为上拉输入模式

    GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0; // 00: 输入模式

    GPIOA->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPD0_0; // 01: 上拉

}



int main(void) {

    // 初始化GPIO

    GPIO_Config();



    while (1) {

        // 读取PA0的输入状态

        uint32_t state = GPIOA->IDR & GPIO_IDR_ID0;



        if (state) {

            // PA0为高电平

            GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_1; // 设置PA1为高电平

        } else {

            // PA0为低电平

            GPIOA->ODR &= ~GPIO_ODR_1; // 设置PA1为低电平

        }



        // 延时

        for (volatile uint32_t i = 0; i < 1000000; i++);

    }

}

4. GPIO外部中断配置

4.1 外部中断概述

GPIO可以配置为外部中断源，用于检测外部事件并触发中断。STM32L1系列支持多种中断触发方式，包括上升沿、下降沿和双沿触发。

4.2 配置PA0为外部中断源

以下是一个配置PA0为外部中断源并实现中断处理的示例代码：


#include "stm32l1xx.h"

#include "stm32l1xx_exti.h"



void GPIO_Config(void) {

    // 使能GPIOA时钟

    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN;



    // 配置PA0为上拉输入模式

    GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0; // 00: 输入模式

    GPIOA->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPD0_0; // 01: 上拉

}



void EXTI_Config(void) {

    // 使能SYSCFG时钟

    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGEN;



    // 配置PA0为EXTI0的中断源

    SYSCFG->EXTICR[0] |= SYSCFG_EXTICR1_EXTI0_PA;



    // 使能EXTI0中断

    EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;



    // 配置EXTI0为上升沿触发

    EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0;



    // 使能EXTI0中断向量

    NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

}



void EXTI0_IRQHandler(void) {

    // 清除EXTI0中断标志

    EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;



    // 切换PA1的状态

    GPIOA->ODR ^= GPIO_ODR_1;

}



int main(void) {

    // 初始化GPIO

    GPIO_Config();



    // 初始化EXTI

    EXTI_Config();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

4.3 代码解释

使能GPIOA时钟：通过设置RCC的AHBENR寄存器位，使能GPIOA的时钟。
配置PA0为上拉输入模式：
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0;：设置PA0为输入模式。
GPIOA->PUPDR |= GPIO_PUPDR_PUPD0_0;：设置PA0为上拉。
使能SYSCFG时钟：通过设置RCC的APB2ENR寄存器位，使能SYSCFG的时钟。
配置PA0为EXTI0的中断源：
SYSCFG->EXTICR[0] |= SYSCFG_EXTICR1_EXTI0_PA;：设置PA0为EXTI0的中断源。
使能EXTI0中断：
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;：使能EXTI0中断。
EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0;：配置EXTI0为上升沿触发。
使能EXTI0中断向量：通过设置NVIC寄存器位，使能EXTI0的中断向量。
中断处理函数：
EXTI0_IRQHandler：处理PA0的外部中断。
EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;：清除EXTI0的中断标志。
GPIOA->ODR ^= GPIO_ODR_1;：切换PA1的状态。

5. GPIO复用功能配置

5.1 复用功能概述

GPIO的复用功能允许将GPIO配置为外设功能，如I2C、UART、SPI等。STM32L1系列提供了多个复用功能寄存器（AFRL和AFRH）来配置GPIO的复用功能。

5.2 配置PA9为USART1_TX

以下是一个配置PA9为USART1_TX的示例代码：


#include "stm32l1xx.h"

#include "stm32l1xx_usart.h"



void GPIO_Config(void) {

    // 使能GPIOA时钟

    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN;



    // 配置PA9为USART1_TX

    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE9_1; // 10: 复用功能

    GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE9_0; // 10: 复用功能

    GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT9; // 0: 推挽输出

    GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDR_OSPEED9_1; // 10: 中速

    GPIOA->OSPEEDR &= ~GPIO_OSPEEDR_OSPEED9_0; // 10: 中速

    GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPD9; // 00: 无上拉/下拉

    GPIOA->AFR[1] |= GPIO_AFRH_AFSEL9_2; // 0100: 复用功能4 (USART1_TX)

    GPIOA->AFR[1] &= ~(GPIO_AFRH_AFSEL9_3 | GPIO_AFRH_AFSEL9_1 | GPIO_AFRH_AFSEL9_0); // 0100: 复用功能4 (USART1_TX)

}



void USART_Config(void) {

    // 使能USART1时钟

    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;



    // 配置USART1

    USART1->BRR = 0x04B0; // 波特率设置为9600

    USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // 使能USART1

    USART1->CR1 |= USART_CR1_TE; // 使能发送器

    USART1->CR1 |= USART_CR1_RE; // 使能接收器

}



void USART_SendChar(uint8_t data) {

    // 等待发送缓冲区为空

    while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));



    // 发送数据

    USART1->DR = data;

}



int main(void) {

    // 初始化GPIO

    GPIO_Config();



    // 初始化USART

    USART_Config();



    while (1) {

        // 发送字符

        USART_SendChar('A');



        // 延时

        for (volatile uint32_t i = 0; i < 1000000; i++);

    }

}

5.3 代码解释

使能GPIOA时钟：通过设置RCC的AHBENR寄存器位，使能GPIOA的时钟。
配置PA9为USART1_TX：
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE9_1;：设置PA9为复用功能。
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE9_0;：设置PA9为复用功能。
GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT9;：设置PA9为推挽输出。
GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDR_OSPEED9_1;：设置PA9为中速。
GPIOA->OSPEEDR &= ~GPIO_OSPEEDR_OSPEED9_0;：设置PA9为中速。
GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPD9;：设置PA9为无上拉/下拉。
GPIOA->AFR[1] |= GPIO_AFRH_AFSEL9_2;：设置PA9为复用功能4 (USART1_TX)。
GPIOA->AFR[1] &= ~(GPIO_AFRH_AFSEL9_3 | GPIO_AFRH_AFSEL9_1 | GPIO_AFRH_AFSEL9_0);：设置PA9为复用功能4 (USART1_TX)。
使能USART1时钟：通过设置RCC的APB2ENR寄存器位，使能USART1的时钟。
配置USART1：
USART1->BRR = 0x04B0;：设置波特率为9600。
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;：使能USART1。
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE;：使能发送器。
USART1->CR1 |= USART_CR1_RE;：使能接收器。
发送字符：
USART_SendChar：发送一个字符。
while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));：等待发送缓冲区为空。
USART1->DR = data;：发送数据。

6. GPIO模拟模式配置

6.1 模拟模式概述

GPIO可以配置为模拟模式，用于连接模拟信号输入设备，如ADC。在模拟模式下，GPIO的数字功能被禁用，允许模拟信号通过。这对于需要进行模拟信号采集的应用非常有用，例如温度传感器、光敏传感器等。

6.2 配置PA0为模拟模式

以下是一个配置PA0为模拟模式并读取ADC值的示例代码：


#include "stm32l1xx.h"

#include "stm32l1xx_adc.h"



void GPIO_Config(void) {

    // 使能GPIOA时钟

    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN;



    // 配置PA0为模拟模式

    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_1; // 11: 模拟模式

    GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0_0; // 11: 模拟模式

}



void ADC_Config(void) {

    // 使能ADC时钟

    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;



    // 配置ADC

    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON; // 使能ADC

    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CONT; // 连续转换模式

    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CAL; // 校准ADC



    // 等待校准完成

    while (ADC1->CR2 & ADC_CR2_CAL);



    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_RSTCAL; // 重置校准标志

    while (ADC1->CR2 & ADC_CR2_RSTCAL);



    // 配置ADC通道

    ADC1->SQR3 |= ADC_SQR3_SQ1_0; // 选择通道0 (PA0)

    ADC1->SQR3 &= ~ADC_SQR3_SQ1_1; // 选择通道0 (PA0)

    ADC1->SQR3 &= ~ADC_SQR3_SQ1_2; // 选择通道0 (PA0)

    ADC1->SQR3 &= ~ADC_SQR3_SQ1_3; // 选择通道0 (PA0)

    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART; // 启动软件触发的转换

}



uint16_t ADC_Read(uint8_t channel) {

    // 选择要读取的通道

    ADC1->SQR3 = (channel << 0);



    // 启动转换

    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;



    // 等待转换完成

    while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));



    // 读取转换结果

    return ADC1->DR;

}



int main(void) {

    // 初始化GPIO

    GPIO_Config();



    // 初始化ADC

    ADC_Config();



    while (1) {

        // 读取PA0的ADC值

        uint16_t adc_value = ADC_Read(0);



        // 处理ADC值

        // 例如，可以在调试串口上打印ADC值

        // 或者根据ADC值控制其他外设



        // 延时

        for (volatile uint32_t i = 0; i < 1000000; i++);

    }

}

6.3 代码解释

使能GPIOA时钟：通过设置RCC的AHBENR寄存器位，使能GPIOA的时钟。
配置PA0为模拟模式：
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_1;：设置PA0为模拟模式。
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0_0;：设置PA0为模拟模式。
使能ADC时钟：通过设置RCC的APB2ENR寄存器位，使能ADC1的时钟。
配置ADC：
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;：使能ADC。
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CONT;：设置为连续转换模式。
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CAL;：校准ADC。
while (ADC1->CR2 & ADC_CR2_CAL);：等待校准完成。
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_RSTCAL;：重置校准标志。
while (ADC1->CR2 & ADC_CR2_RSTCAL);：等待重置校准标志完成。
ADC1->SQR3 |= ADC_SQR3_SQ1_0;：选择通道0 (PA0)。
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;：启动软件触发的转换。
读取ADC值：
ADC_Read函数用于读取指定通道的ADC值。
ADC1->SQR3 = (channel << 0);：选择要读取的通道。
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;：启动转换。
while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));：等待转换完成。
return ADC1->DR;：读取转换结果并返回。

7. GPIO高级应用

7.1 GPIO与定时器结合

GPIO与定时器结合可以实现更复杂的功能，例如PWM输出、捕获外部信号等。以下是一个配置GPIO为PWM输出的示例代码：


#include "stm32l1xx.h"

#include "stm32l1xx_tim.h"



void GPIO_Config(void) {

    // 使能GPIOA时钟

    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN;



    // 配置PA0为复用功能2 (TIM2_CH1)

    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_1; // 10: 复用功能

    GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0_0; // 10: 复用功能

    GPIOA->AFR[0] |= GPIO_AFRH_AFSEL0_0; // 0010: 复用功能2

    GPIOA->AFR[0] &= ~(GPIO_AFRH_AFSEL0_1 | GPIO_AFRH_AFSEL0_2 | GPIO_AFRH_AFSEL0_3); // 0010: 复用功能2

    GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDR_OSPEED0_1; // 10: 中速

    GPIOA->OSPEEDR &= ~GPIO_OSPEEDR_OSPEED0_0; // 10: 中速

    GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT0; // 0: 推挽输出

}



void TIM_Config(void) {

    // 使能TIM2时钟

    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;



    // 配置TIM2为PWM模式

    TIM2->PSC = 48 - 1; // 预分频器，假设系统时钟为48MHz

    TIM2->ARR = 1000 - 1; // 自动重载值

    TIM2->CCR1 = 500; // 比较值

    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1; // 110: PWM模式1

    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能通道1输出

    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_ARPE; // 自动重载预装载使能

    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 使能定时器

}



int main(void) {

    // 初始化GPIO

    GPIO_Config();



    // 初始化TIM2

    TIM_Config();



    while (1) {

        // 主循环

    }

}

7.2 代码解释

使能GPIOA时钟：通过设置RCC的AHBENR寄存器位，使能GPIOA的时钟。
配置PA0为TIM2_CH1：
GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODE0_1;：设置PA0为复用功能。
GPIOA->MODER &= ~GPIO_MODER_MODE0_0;：设置PA0为复用功能。
GPIOA->AFR[0] |= GPIO_AFRH_AFSEL0_0;：设置PA0为复用功能2 (TIM2_CH1)。
GPIOA->AFR[0] &= ~(GPIO_AFRH_AFSEL0_1 | GPIO_AFRH_AFSEL0_2 | GPIO_AFRH_AFSEL0_3);：设置PA0为复用功能2 (TIM2_CH1)。
GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDR_OSPEED0_1;：设置PA0为中速。
GPIOA->OSPEEDR &= ~GPIO_OSPEEDR_OSPEED0_0;：设置PA0为中速。
GPIOA->OTYPER &= ~GPIO_OTYPER_OT0;：设置PA0为推挽输出。
使能TIM2时钟：通过设置RCC的APB1ENR寄存器位，使能TIM2的时钟。
配置TIM2为PWM模式：
TIM2->PSC = 48 - 1;：设置预分频器，假设系统时钟为48MHz。
TIM2->ARR = 1000 - 1;：设置自动重载值。
TIM2->CCR1 = 500;：设置比较值。
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1;：设置PWM模式1。
TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;：使能通道1输出。
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_ARPE;：自动重载预装载使能。
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;：使能定时器。

8. 总结

STM32L1系列微控制器的GPIO功能非常强大，可以灵活配置多种工作模式，包括输入、输出、复用功能和模拟模式。通过寄存器配置，可以实现各种应用场景，如外部中断检测、PWM输出和ADC采集等。理解并掌握这些配置方法对于开发高效、低功耗的嵌入式系统非常关键。希望本文的内容能够帮助读者更好地理解和应用STM32L1系列的GPIO功能。

作者：kkchenkx

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