STM32F4系列单片机GPIO概述和寄存器分析

第2章 STM32-GPIO口

2.1 GPIO口概述

通用输入/输出口

2.1.1 GPIO口作用

GPIO是单片机与外界进行数据交流的窗口。

2.1.2 STM32的GPIO口

在51单片机中，IO口，以数字进行分组（P0~P3），每一组里面又有8个IO口。

在STM32里面，GPIO口，以英文字母进行分组，针对M4系列最多可以分为A_{I组，而在我们现在使用的stm32f407zgt6这款芯片一共分成A}G组。每一组里面有16个IO口（以0~15进行编号），所以我们这款芯片一共有112个GPIO口。

并不是所以的管脚都是GPIO口

每一个GPIO口都是多功能的，在使用之前需要先配置好特定的一个功能，需要用什么功能就要配置成什么功能。

对GPIO的配置就是学习如何使用GPIO口。

对GPIO口操作其实就是操作GPIO对应的寄存器。

寄存器其实就是一段内存空间。芯片内部有很多模块，系统会给每一个模块都分配一段特定的内存空间，这些内存空间的地址其实就是这些模块的寄存器地址。每个寄存器都有自己特定的一些功能，我们往寄存器里面读写的数据也都是有一定意义的，不是随意的。如果我们想要操作一个模块做某些事情，就需要找到这个模块对应有这个功能的寄存器，往这个寄存器里面写入特定的指令数据，系统就会根据你的操作对这个模块进行控制。

补充：

变量：声明变量其实就是在内存中申请了一段内存空间，我们可以在这个内存空间进行读写操作。这个内存空间的地址是随机。

寄存器：寄存器其实也是一段内存空间，同样可以往里面进行读写操作，但是寄存器的地址是固定的，是已知的，是芯片厂家出厂时就已经固化了，不可更改的。

从上图可以知道GPIO模块寄存器边界地址和所在的总线（AHB1）

相邻两组GPIO之间的偏移量是0x0400，换句话说每组GPIO的空间大小为1024字节。

总结：

相邻GPIO组之间的偏移量为1K字节，每一组GPIO相邻寄存器之间的偏移量为0x04.

2.1.3 STM32的GPIO口特征

每个通用 I/O 端口包括 4 个 32 位配置寄存器（GPIOx_MODER、 GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR 和 GPIOx_PUPDR）、 2 个 32 位数据寄存器（GPIOx_IDR 和GPIOx_ODR）、 1 个 32 位置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)、 1 个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR) 和 2 个 32 位复用功能选择寄存器（GPIOx_AFRH 和 GPIOx_AFRL）。

● 受控 I/O 多达 16 个
● 输出状态：推挽或开漏 + 上拉/下拉
● 从输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) 或外设（复用功能输出）输出数据
● 可为每个 I/O 选择不同的速度
● 输入状态：浮空、上拉/下拉、模拟
● 将数据输入到输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) 或外设（复用功能输入）
● 置位和复位寄存器 (GPIOx_BSRR)，对 GPIOx_ODR 具有按位写权限
● 锁定机制 (GPIOx_LCKR)，可冻结 I/O 配置
● 模拟功能
● 复用功能输入/输出选择寄存器（一个 I/O 最多可具有 16 个复用功能）
● 快速翻转，每次翻转最快只需要两个时钟周期
● 引脚复用非常灵活，允许将 I/O 引脚用作 GPIO 或多种外设功能中的一种

2.1.4 STM32的GPIO功能

根据数据手册中列出的每个 I/O 端口的特性，可通过软件将通用 I/O (GPIO) 端口的各个端口
位分别配置为多种模式：
● 输入浮空
● 输入上拉
● 输入下拉
● 模拟功能----用在模数转换/数模转换上
● 具有上拉或下拉功能的开漏输出
● 具有上拉或下拉功能的推挽输出
● 具有上拉或下拉功能的复用功能推挽
● 具有上拉或下拉功能的复用功能开漏
每个 I/O 端口位均可自由编程，但 I/O 端口寄存器必须按 32 位字、半字或字节进行访问。
GPIOx_BSRR 寄存器旨在实现对 GPIO ODR 寄存器进行原子读取/修改访问。这样便可确保
在读取和修改访问之间发生中断请求也不会有问题。

2.2 STM32的GPIO口框架（重点）

输入电路和输出电路是独立的。

2.2.1 输出配置框架分析

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：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
口保持高组态 (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

在配置成输出模式时，输入功能并没有被关闭。

推挽输出：当配置成推挽模式时，P-MOS和N-MOS均可以工作（都被打开）

当要输出高电平‘1’时，P-MOS导通，N-MOS不导通，VDD电源正极（高电平）连接到IO引脚

当要输出低电平‘0’时，P-MOS不导通，N-MOS导通，VSS电源负极（低电平）连接到IO引脚

推挽输出即可以输出高电平也可以输出低电平

开漏输出：当配置成开漏模式时，P-MOS被关闭（高阻态），N-MOS被打开

当要输出高电平‘1’时，P-MOS不导通，N-MOS不导通，不能把高电平从输出驱动器输出出去，IO引脚的电平值取决外界环境。

当要输出低电平‘0’时，P-MOS不导通，N-MOS导通，VSS电源负极（低电平）连接到IO引脚

开漏输出只具有输出低电平的能力，不具有输出高电平的能力。

如果仍然想输出高电平‘1’，那么需要在外部电路中接一个上拉电阻

上拉电阻：电阻的一端接着电源正极，在IO口没有电流流过时，保证电阻另外一端有一个稳定高电平

下拉电阻：电阻的一端接着电源负极（GND），在IO口没有电流流过时，保证电阻另外一端有一个稳定低电平

芯片内部上拉电阻和下拉电阻都是弱上拉和弱下拉，驱动能力比较弱

2.2.2 输入配置框架分析

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

变换一下如下图：

这种情况下，配置成输入浮空（不上拉也不下拉）

这种情况下可以配置成输入上拉

这种情况下可以配置成输入下拉

2.2.3 模拟功能框架分析

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”。

2.2.4 复用功能框架分析

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

2.3 STM32的GPIO口相关寄存器

2.3.1 GPIO 端口模式寄存器 (GPIOx_MODER) (x = A…I)

偏移地址： 0x00
复位值：（默认值）
● 0xA800 0000（端口 A）
● 0x0000 0280（端口 B）
● 0x0000 0000（其它端口）

位 2y:2y+1 MODERy[1:0]： 端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0…15)
这些位通过软件写入，用于配置 I/O 方向模式。
00：输入（复位状态）
01：通用输出模式
10：复用功能模式
11：模拟模式

2.3.2 GPIO 端口输出类型寄存器 (GPIOx_OTYPER) (x = A…I)

偏移地址： 0x04
复位值： 0x0000 0000

位 31:16 保留，必须保持复位值。
位 15:0 OTy[1:0]： 端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0…15)
这些位通过软件写入，用于配置 I/O 端口的输出类型。
0：输出推挽（复位状态）
1：输出开漏

2.3.3 GPIO 端口输出速度寄存器 (GPIOx_OSPEEDR) (x = A…I/)

偏移地址： 0x08
复位值：
● 0x0000 00C0（端口 B）
● 0x0000 0000（其它端口）

位 2y:2y+1 OSPEEDRy[1:0]： 端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0…15)
这些位通过软件写入，用于配置 I/O 输出速度。
00： 2 MHz（低速）
01： 25 MHz（中速）
10： 50 MHz（快速）
11： 30 pF 时为 100 MHz（高速）（15 pF 时为 80 MHz 输出（最大速度））

2.3.4 GPIO 端口上拉/下拉寄存器 (GPIOx_PUPDR) (x = A…I/)

偏移地址： 0x0C
复位值：
● 0x6400 0000（端口 A）
● 0x0000 0100（端口 B）
● 0x0000 0000（其它端口）

位 2y:2y+1 PUPDRy[1:0]： 端口 x 配置位 (Port x configuration bits) (y = 0…15)
这些位通过软件写入，用于配置 I/O 上拉或下拉。
00：无上拉或下拉（浮空）
01：上拉
10：下拉
11：保留

2.3.5 GPIO 端口输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) (x = A…I)

偏移地址： 0x10
复位值： 0x0000 XXXX（其中 X 表示未定义）

位 31:16 保留，必须保持复位值。
位 15:0 IDRy[15:0]： 端口输入数据 (Port input data) (y = 0…15)
这些位为只读形式，只能在字模式下访问。它们包含相应 I/O 端口的输入值。

2.3.6 GPIO 端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) (x = A…I)

偏移地址： 0x14
复位值： 0x0000 0000

位 31:16 保留，必须保持复位值。
位 15:0 ODRy[15:0]： 端口输出数据 (Port output data) (y = 0…15)
这些位可通过软件读取和写入。
注意： 对于原子置位/复位，通过写入 GPIOx_BSRR 寄存器，可分别对 ODR 位进行置位和复
位 (x = A…I/)。

2.4 寄存器访问方法

操作GPIOA_MODE,写入data值

第一种：

*(unsigned int *)0x4002 0000=data;

第二种：

#define GPIOA_MODE *(unsigned int *)0x4002 0000

GPIOA_MODE=data;

第三种：

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)#define GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)#define GPIOI ((GPIO_TypeDef ) GPIOI_BASE) typedef struct{ __IO uint32_t MODER; /!< GPIO port mode register, Address offset: 0x00 / __IO uint32_t OTYPER; /!< GPIO port output type register, Address offset: 0x04 / __IO uint32_t OSPEEDR; /!< GPIO port output speed register, Address offset: 0x08 / __IO uint32_t PUPDR; /!< GPIO port pull-up/pull-down register, Address offset: 0x0C / __IO uint32_t IDR; /!< GPIO port input data register, Address offset: 0x10 / __IO uint32_t ODR; /!< GPIO port output data register, Address offset: 0x14 / __IO uint16_t BSRRL; /!< GPIO port bit set/reset low register, Address offset: 0x18 / __IO uint16_t BSRRH; /!< GPIO port bit set/reset high register, Address offset: 0x1A / __IO uint32_t LCKR; /!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C / __IO uint32_t AFR[2]; /!< GPIO alternate function registers, Address offset: 0x20-0x24 /} GPIO_TypeDef; 说明：GPIO_TypeDef ：结构体 GPIO_TypeDef：结构体指针 #define GPIOA_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0000)#define GPIOB_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0400)#define GPIOC_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0800)#define GPIOD_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0C00)#define GPIOE_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1000)#define GPIOF_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1400)#define GPIOG_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1800)#define GPIOH_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1C00)#define GPIOI_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x2000)//---------------------------------------------------------------------------------------#define AHB1PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00020000)//---------------------------------------------------------------------------------------#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000) 分析：#define GPIOA_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0000) ((PERIPH_BASE + 0x00020000)+0x0000) ((((uint32_t)0x40000000)+ 0x00020000)+0x0000) ((uint32_t)0x40020000) #define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) (uint32_t)0x40020000)GPIOA—结构体常量指针 操作寄存器方法：GPIOA->MODE=data;

2.5 STM32的GPIO口相关实验

2.5.1 通用输出功能实验

通过GPIO口点亮LED灯

LED其实是发光二极管，当给阳极高电平，给阴极低电平，会让二极管正向导通，LED点亮

2.5.1.1 硬件设计

2.5.1.2 软件设计

点亮LED1，把PF6配置成普通功能推挽输出

配置流程：

\1. 配置模式寄存器（把GPIOF的MODER寄存器的第13和12位分配成01）—输出模式

\2. 配置输出类型寄存器（把GPIOF的OTYPER寄存器的第6位分配成0）—输出推挽

\3. 配置输出速度寄存器（把GPIOF的OSPEEDR寄存器的第13和12位分配成00）–低速2Mhz

\4. 配置上/下拉寄存器（把GPIOF的PUPDR寄存器的第13和12位分配成00）–浮空

点亮LED1----往GPIOF的ODR寄存器的第6位写入0

熄灭LED1----往GPIOF的ODR寄存器的第6位写入1

操作寄存器的原则：操作你要操作的相关位，而不能影响到其他位的值。

2 软件设计

点亮LED1，把PF6配置成普通功能推挽输出

配置流程：

\1. 配置模式寄存器（把GPIOF的MODER寄存器的第13和12位分配成01）—输出模式

\2. 配置输出类型寄存器（把GPIOF的OTYPER寄存器的第6位分配成0）—输出推挽

\3. 配置输出速度寄存器（把GPIOF的OSPEEDR寄存器的第13和12位分配成00）–低速2Mhz

\4. 配置上/下拉寄存器（把GPIOF的PUPDR寄存器的第13和12位分配成00）–浮空

点亮LED1----往GPIOF的ODR寄存器的第6位写入0

熄灭LED1----往GPIOF的ODR寄存器的第6位写入1

操作寄存器的原则：操作你要操作的相关位，而不能影响到其他位的值。