三、GPIO

一、GPIO简介

• GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口
• GPIO引脚电平：0V（低电平）~3.3V（高电平），部分引脚可容忍5V
  • 容忍5V，即部分引脚输入5V的电压，也认为是高电平；引脚定义中有FT（Five Tolerate）即表示可容忍5V；
  • 对于输出而言，最大就只能输出3.3V，因为供电就只有3.3V；
• 可配置为8种输入输出模式；
• 输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等；
• 输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等；

二、GPIO基本结构

1.GPIO整体结构

• STM32上，所有的GPIO都是挂载在APB2时钟总线上；
• GPIO外设的名称按照GPIOA、B、C等等来命名的；
• 每个GPIO外设有16个引脚，编号0~15；
• 每个GPIO模块内，主要包含了寄存器和驱动器；
  • 寄存器就是一段特殊的存储器，内核可以通过APB2总线对寄存器进行读写，从而实现电平的输出和读取功能；
    • 寄存器的每一位对应一个引脚；
    • 输出寄存器写1，对应引脚就会输出高电平；写0，就会输出低电平；
    • 输入寄存器读取为1，对应引脚目前为高电平；读取为0，为低电平；
    • STM32为32位的单片机，所以STM32内部的寄存器都是32位，但每个GPIO只有16个引脚，所以寄存器只有低16位有对应的引脚，高16位是没有用到的；
  • 驱动器是用来增加信号的驱动能力，寄存器只负责存储数据；当进行点灯这样的操作，还是需要驱动器增大驱动能力；

2.GPIO位结构

• 保护二极管：用于限制引脚的输入电压；
  • 上面保护二极管接VDD（3.3V），下面二极管接VSS（0V）；
  • 当输入电压高于3.3V时，上方二极管导通，输入电压产生的电流就会直接流入VDD而不会流入内部电路，避免过高的电压对内部电路产生伤害；
  • 当输入电压低于0V时，下方二极管导通，电流会直接从IO引脚流出去，而不会从内部电路汲取电流，从而保护内部电路；
  • 当输入电压位于0~3.3V之间，上下方二极管均不会导通；
• 上下拉电阻
  • 上下拉电阻的作用是给输入提供一个默认的输入电平，上下拉电阻均断开时，引脚处于浮空状态，此时引脚的输入电平极易受到外界干扰而改变；
  • 上拉电阻连接VDD（3.3V）；下方电阻连接VSS（0V）；连接开关可通过程序进行配置；
  • 上拉电阻打开，下拉电阻断开，即上拉输入模式，又称作默认为高电平的输入模式；
  • 上拉电阻断开，下拉电阻打开，即下拉输入模式，又称作默认为低电平的输入模式；
  • 上拉电阻和下拉电阻均断开，即浮空输入模式；
  • 上下拉电阻的阻值都是比较大的，是一种弱上拉和弱下拉，目的是尽量不影响正常的输入操作；
• 施密特触发器：对输入电压进行整形
  • 当施密特触发器的输入电压大于某一阈值时，输出就会瞬间升为高电平；小于某一阈值，输出就会瞬间降为低电平；
  • 例如：引脚的波形为外界输入，虽然是数字信号，但实际情况下可能产生各种失真，一下面波形举例：
    
• 数据选择器：选择是输出数据寄存器还是片上外设（复用功能输出）的信号输入到输出控制；
  • 位设置/清除寄存器：用来单独操作输出数据寄存器的某一位，而不影响其他位（即单独操作GPIO中某一引脚的电平高低，输出寄存器同时控制GPIO的16个端口，且只能整体读写 ）
• MOS管：MOS管可以理解成电子开关，输出控制的信号控制开关的导通和关闭，进而控制IO口连接到VDD（3.3V）或VSS（0V）；可选择推挽、开漏、关闭三种输出模式
  • 推挽输出模式：P-MOS和N-MOS均有效；这种模式下，高低电平均有较强的驱动能力，所以推挽输出模式也称为强推输出模式；在推挽输出模式下，STM32对IO口具有绝对的控制权，高低电平都有STM32控制；
    • 输出控制输出1时，P-MOS导通，N-MOS断开，输出直接接到VDD（3.3V），输出高电平；
    • 输出控制输出0时，P-MOS断开，N-MOS导通，输出直接接到VSS（0V），输出低电平；
  • 开漏输出模式：P-MOS无效，N-MOS有效；这种模式下，只有低电平有驱动能力，高电平没有驱动能力；开漏模式常用作通信协议的输出方式，比如I2C通信的引脚；在多机通信的情况下，开漏模式可以避免各个设备的相互干扰；
    • 输出控制输出1时，P-MOS断开，N-MOS断开，输出相当于断开，即高阻模式；
    • 输出控制输出0时，P-MOS断开，N-MOS导通，输出直接接到VSS（0V），输出低电平；
    • 开漏模式还可以用于输出5V的电平信号：在IO口外接一个上拉电阻到5V的电源，输出低电平时，由内部的N-MOS直接接VSS（0V）；输出高电平时，由外部上拉电阻拉高至5V；这样就可以输出5V信号，用于兼容一些5V的电平设备；
  • 关闭模式：当引脚配置为输入模式时，P-MOS和N-MOS均无效，端口的电平由外部信号来控制；

三、GPIO的8种工作模式

• 上拉/下拉/浮空输入配置
  
• 模拟输入配置
  
• 推挽/开漏输出配置
  
• 复用推挽/开漏输出配置
  
• 在输出模式下，输入都是有效的；在输入模式下，输出都是无效的；（因为一个端口只能有一个输出，但可以有多个输入）；
• 在GPIO的8种模式下，除了模拟输入模式会关闭数字输入功能，其他7种模式下，数字输入都是有效的；

四、参考手册_GPIO部分介绍

• STM32F103数据手册和参考手册 蓝奏云下载链接，密码:2nkx
  

• 端口配置寄存器
  

  • 每一个端口的模式由4位进行配置， 16个端口就需要64位，每个寄存器32位，所以配置寄存器有2个；
  • GPIO的输出速度可以限制输出引脚的最大翻转速度，该设计是为了低功耗和稳定性，一般要求不高时，配置成50MHz即可；

• 端口输入寄存器
  

  • 低16位对应16个引脚，高16位没有使用；

• 端口输出寄存器
  

  • 低16位对应16个引脚，高16位没有使用；

• 端口位设置/清除寄存器
  

  • 高16位用于位清除，低16位用于位设置； 写1用于设置或清除，写0不产生影响；

• 端口位清除寄存器
  

  • 低16位效果和端口位设置/清除寄存器的高16位功能一样；
  • 当只需要单一的进行位设置或位清除，位设置时，用端口位设置/清除寄存器；位清除时，用端口位清除寄存器；（此时进行位设置和位清除时，使用的都是低16位的数据，比较方便）；
  • 当需要对多个端口同时进行位设置和位清除，可以使用端口设置/清除寄存器，这样可以保证位设置和位清除的同步性；

五、GPIO输出实验_外围设备介绍

1.LED和蜂鸣器

（1）LED和蜂鸣器简介

• LED，发光二极管，正向通电点亮，反向通电不亮；
  
• 蜂鸣器：分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器

  • 有源蜂鸣器：内部自带震荡源，正负极接上直流电压即可持续发声，频率固定；
    

  • 无源蜂鸣器：内部不带震荡源，需要控制器提供震荡脉冲才可发声；调整提供的震荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音；

（2）LED和蜂鸣器硬件电路

• STM32的GPIO在推挽输出模式下，高低电平具有比较强的驱动能力，选用高电平驱动或者低电平驱动均可；
• 单片机电路种，一般倾向于低电平驱动，因为很多单片机或芯片，都是用了高电平弱驱动，低电平强驱动的规则（这样可以一定程度上避免高低电平冲突）；

2.面包板

六、GPIO输出实验

1.LED闪烁

• 接线图
  

• 操作STM32的GPIO外设一共需要3个步骤：

  • 使用RCC（Reset Clock Control，复位时钟控制），开启GPIO的时钟；
  • 使用GPIO_Init（）函数初始化GPIO；
  • 使用输出或输入函数控制GPIO口；

• RCC外设常用的3个库函数
  
  

• GPIO常用的库函数：GPIO_Init、GPIO的8个读写函数
  

  • GPIO的4个输出函数
    

• Delay延时函数

  • Delay.c

  #include "stm32f10x.h"/*** @brief  微秒级延时* @param  xus 延时时长，范围：0~233015* @retval 无*/
  void Delay_us(uint32_t xus)
  {SysTick->LOAD = 72 * xus;				//设置定时器重装值SysTick->VAL = 0x00;					//清空当前计数值SysTick->CTRL = 0x00000005;				//设置时钟源为HCLK，启动定时器while(!(SysTick->CTRL & 0x00010000));	//等待计数到0SysTick->CTRL = 0x00000004;				//关闭定时器
  }/*** @brief  毫秒级延时* @param  xms 延时时长，范围：0~4294967295* @retval 无*/
  void Delay_ms(uint32_t xms)
  {while(xms--){Delay_us(1000);}
  }/*** @brief  秒级延时* @param  xs 延时时长，范围：0~4294967295* @retval 无*/
  void Delay_s(uint32_t xs)
  {while(xs--){Delay_ms(1000);}
  } 

  • Delay.h

  #ifndef __DELAY_H
  #define __DELAY_Hvoid Delay_us(uint32_t us);
  void Delay_ms(uint32_t ms);
  void Delay_s(uint32_t s);#endif

• main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"int main(void)
{//1.打开GPIOA时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);		//2.配置PA0为推挽输出GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);while(1){GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);		// 打开LEDDelay_ms(500);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);		// 关闭LEDDelay_ms(500);}}

• LED闪烁实验，工程下载地址，密码:gso9

2.LED流水灯

• 接线图
  
• main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"int main(void)
{//1.打开GPIOA时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);		//2.配置PA0-PA7为推挽输出GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_All;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);while(1){GPIO_Write(GPIOA, ~0x0001);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0002);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0004);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0008);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0010);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0020);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0040);Delay_ms(500);GPIO_Write(GPIOA, ~0x0080);Delay_ms(500);}}

• LED流水灯实验，工程下载地址，密码:1vmb

3.蜂鸣器

• 接线图
  
• main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"int main(void)
{//1.打开GPIOB时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);		//2.配置PA0-PA7为推挽输出GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);while(1){GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);Delay_ms(100);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);Delay_ms(100);GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);Delay_ms(100);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);Delay_ms(700);}}

• 蜂鸣器实验，工程下载地址，密码:a1zp

4.库函数的使用方法

• 打开对应外设库函数种的.h文件，查看有哪些函数------>转到对应函数的定义，查看函数功能和参数的用法；
• 库函数使用手册（老版本，部分用法有出入，整体差异不大）下载链接
• 网上搜索，参考别人的代码；

七、GPIO输入实验_外围设备介绍

1.按键

• 常用的输入设备，按下导通，松开断开；
• 按键抖动：按键内部使用的是机械式弹簧片来进行通断，在按下和松手的瞬间会伴有一连串的抖动；
  • 按键的抖动时间比较短，通常在5~10ms，人眼是分辨不出来的，但是对于高速运行的单片机而言，5 ~ 10ms还是很漫长的，所以需要对抖动进行过滤，即按键消抖；
  • 最简单的过滤办法就是加一段延时，把抖动时间耗过去；
    
• 按键的电路
  

2.传感器模块

• 课程中有4个传感器模块：光敏电阻传感器、热敏电阻传感器、对射式红外传感器、反射式红外传感器；
• 这些传感器模块都是利用传感器元件（光敏电阻/热敏电阻/红外接收管）的电阻会随着外界的模拟量变化而变化（光线越强，光敏电阻阻值越小；温度越高，热敏电阻阻值越小；红外光线越强，红外接收管的阻值越小；）
  • 电阻的变化不容易采集到，通常将传感器元件与定值电阻进行串联分压，这样就可以得到模拟电压的输出。对于电路来说，检测电压就比较容易；
  • 还可以通过电压比较器，对输出的模拟电压进行二值化，这样就可以得到数字电压输出；
    
• 传感器的电路
  

八、GPIO输入实验

1. 按键控制LED

• 接线图
  
• 读取引脚和端口的库函数
  
• LED.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid LED_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2);
}void LED1_ON(void)
{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}void LED1_OFF(void)
{GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}void LED1_Turn(void)
{if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == 0){GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);}else{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);}
}void LED2_ON(void)
{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}void LED2_OFF(void)
{GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}void LED2_Turn(void)
{if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2) == 0){GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);}else{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);}
}

• LED.h

#ifndef __LED_H
#define __LED_Hvoid LED_Init(void);void LED1_ON(void);
void LED1_OFF(void);
void LED1_Turn(void);
void LED2_ON(void);
void LED2_OFF(void);
void LED2_Turn(void);#endif

• Key.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"void Key_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}uint8_t Ket_GetNum(void)
{uint8_t KeyNum = 0;if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)				// 按键1按下{	Delay_ms(20);																					// 消抖while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0);	// 等待抬起Delay_ms(20);																					// 消抖KeyNum = 1;																						// 按键1按下后松开}if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0)				// 按键2按下{	Delay_ms(20);																						// 消抖while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0);	// 等待抬起Delay_ms(20);																						// 消抖KeyNum = 2;																							// 按键2按下后松开}return KeyNum;
}

• Key.h

#ifndef __KEY_H
#define __KEY_H
#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid Key_Init(void);
uint8_t Ket_GetNum(void);	#endif

• 按键控制LED实验，工程下载地址，密码:2pzm

2.光敏传感器控制蜂鸣器

• 接线图
  
• Buzzer.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid Buzzer_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB , ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}void Buzzer_ON(void)
{GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}void Buzzer_OFF(void)
{GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}void Buzzer_Turn(void)
{if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_12) == 0){GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);}else{GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);}
}

• Buzzer.h

#ifndef __BUZZER_H
#define __BUZZER_Hvoid Buzzer_Init(void);
void Buzzer_ON(void);
void Buzzer_OFF(void);
void Buzzer_Turn(void);#endif

• LightSensor.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid LightSeneorInit(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB , ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;				// 光敏传感器，光照强时，输出低电平，输出指示灯亮；光照弱时，输出高电平，输出指示灯灭；GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13);
}uint8_t LightSensor_Get(void)
{return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_13);
}

• LightSensor.h

#ifndef __LightSensor_H
#define __LightSensor_H
#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid LightSeneorInit(void);
uint8_t LightSensor_Get(void);#endif

• main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "Buzzer.h"
#include "LightSensor.h"int main(void)
{Buzzer_Init();LightSeneorInit();while(1){if(LightSensor_Get() == 1){Buzzer_ON();}else{Buzzer_OFF();}}}

• 光敏传感器控制蜂鸣器，工程下载地址，密码:bh7h