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1、什么是GPIO

GPIO(General Purpose Input/Output通用输入输出 )

通用输入输出 的缩写，是微控制器（MCU）或处理器中用于与外部设备或电路进行交互的 基本硬件接口。

如果某一个引脚支持GPIO功能, 则可以将其配置为输入或者输出.

• 数字输入：接收高电平（1）或低电平（0）信号。
  • 典型如按钮输入, 将按钮连接到 GPIO 输入引脚，微控制器可以读取按钮按下或松开的状态。
• 输出模式：输出高电平（1）或低电平（0）信号。
  • 典型的LED控制, 将 LED 连接到 GPIO 输出引脚，通过设置引脚的电平来控制 LED 的开关。

2、什么是GPIO组

STM32 的 GPIO 端口通常命名为 GPIOA、GPIOB、GPIOC … 依次类推，每个端口最多包含 16 个引脚，编号从 0 到 15：

• GPIOA: PA0 ~ PA15
• GPIOB: PB0 ~ PB15
• GPIOC: PC0 ~ PC15
• …

并非所有组的所有编号都可用, 需要查看手册

我的来自stm32F103VET6的原理图

3、GPIO的基本结构

4、GPIO位结构

5、GPIO八种工作模式

• 输入模式

  • 输入浮空（Floating Input）

    • 特点：引脚无内部上拉或下拉电阻，仅作为输入，悬空时状态不确定，容易受到干扰。

    • 适用场景：需要外部电路（如 按键、传感器）来确定电平，或用于复用功能（如 USART RX）。

  • 输入上拉（Input Pull-Up）**

    • 特点：内部连接 上拉电阻，默认状态为 高电平（1），外部需要拉低才能改变状态。
    • 适用场景：按键检测（常见的 低电平触发按键）。

  • 输入下拉（Input Pull-Down）

    • 特点：内部连接 下拉电阻，默认状态为 低电平（0），外部需要拉高才能改变状态。
    • 适用场景：按键检测（常见的 高电平触发按键）。

  • 模拟输入（Analog Input）

    • 特点：引脚连接到 ADC（模数转换器），无数字输入特性，可接收 模拟信号。
    • 适用场景：ADC（模拟传感器、电位器） 输入信号。

• 输出模式

  • 开漏输出（Open-Drain Output）

    • 特点：只能输出 低电平（0） 或 高阻态（Hi-Z），需要外部上拉电阻才能输出高电平（1）。

    • 适用场景：适用于多个设备共享信号线。

      • I2C 通信（总线仲裁机制需要开漏）。
      • 驱动大电流外设（如 LED、继电器，上拉到 5V 或更高电压）。

  • 推挽式输出（Push-Pull Output）

    • 特点：可以直接输出 高电平（1）或低电平（0），不需要额外的上拉电阻，驱动能力强。

    • 适用场景：

      • 普通数字信号输出（控制 LED、继电器）。
      • 高速信号输出（如 SPI、USART TX）。

• 复用模式

  • 推挽式复用功能（Alternate Function Push-Pull）

    • 特点 ：引脚用于 外设功能（如 USART、SPI、I2C），输出方式为 推挽模式，能提供稳定的高/低电平。
    • 适用场景：USART TX、SPI、PWM 输出。

  • 开漏复用功能（Alternate Function Open-Drain）

    • 特点：引脚用于 外设功能，输出方式为 开漏模式，通常需要 外部上拉。
    • 适用场景：
      • I2C（SDA、SCL） 需要 开漏 以支持多主机通信。
      • 某些低功耗通信 场景。

模式	默认状态	是否需要外部电阻	主要用途
输入浮空	悬空	可能需要	接受外部信号，无内部上拉/下拉
输入上拉	高电平（1）	无	按键检测（低电平触发）
输入下拉	低电平（0）	无	按键检测（高电平触发）
模拟输入	模拟信号	无	ADC 采样
开漏输出	高阻	需要上拉电阻	I2C 总线、驱动高电压负载
推挽输出	0/1	无	直接驱动 LED、继电器等
推挽复用	0/1	无	SPI、USART TX、PWM
开漏复用	高阻	需要上拉电阻	I2C（SDA/SCL）

6、GPIO相关寄存器

1. 端口配置低寄存器GPIO[x]_CRL和端口配置高寄存器GPIO[x]_CRH, Config Register High和Config Register Low)

• bit位说明:

  • 每四个bit位决定一个端口的状态
  • 每个寄存器共32bit, 可以决定8个端口的状态
  • 每个端口组需要两个寄存器来配置, 也就是每个端口组都有一个CRL和CRH寄存器
  • 寄存器为RW权限

• 低两位**MODE[y](mode=模式)**决定输入和输出状态, 以及输出速率(速率越高, 功耗越高, 波形越不平滑)

  • 00: 输入
  • 01: 输出10MHz
  • 10: 输出2MHz
  • 11: 输出50MHz

• 高两位**CNF[y](CNF=config配置)**决定具体模式

  • 输入模式
    • 00: 模拟输入
    • 01: 输入浮空
    • 10: 上拉下拉
    • 11: 保留
  • 输出模式
    • 00: 通用推挽
    • 01: 通用开漏
    • 10: 复用推挽
    • 11: 复用开漏

2. 端口输入数据寄存器(GPIO[x]_IDR)

• 说明:
  • 每一个寄存器bit记录了一个端口的输入状态
  • 每个端口组需要最多16个bit, 因此只需要IDR的低16bit就可以了
  • 寄存器为R权限
• bit值为1说明输入为高
• bit值为0说明输入为低

3. 端口输出数据寄存器GPIO[x]_ODR, Output Data Register

• 同输入类似,RW权限

4. 端口位设置/清除寄存器GPIO[x]_BSRR Bit Set Reset Register

• 同样可以实现拉高拉低输出的效果, 但是权限是W
• 低16bit写入1, 会拉高某个引脚
• 高16bit写入1, 会拉低某个引脚
• 写入0, 不会影响其他引脚

5. 端口位清除寄存器GPIO[x]_BRR, Bit Reset Regsiter

• 同BSRR, 权限同样是W, 但是只能拉低
• 低16bit写入1, 会拉低某个引脚
• 低16bit写入0, 不起作用
• 高16bit不起作用

相关术语:

• Set = 将输出设置为高电平 = 拉高 = 置位 = 置为1 = 输出1 = 使能
• Reset = 将输出设置为低电平 = 拉低 = 复位 = 置为0 = 输出0 = 禁用

输出相关的寄存器逻辑:

• 正常来说, ODR可以直接控制某个引脚高低

  // 正确的操作方式, 注意操作符是 |= 和 &=
  GPIOA->ODR |= (1 << 5);  // 拉高 PA5
  GPIOA->ODR &= ~(1 << 5); // 拉低 PA5
  

• 但是对ODR直接操作, 可能有意无意修改到其他引脚的状态

  GPIOA->ODR = (1 << 5);// 此时PA5被置为1, 但是PA的其他端口被置为0
  

• STM32于是设置了一个BSRR寄存器, 操作BSRR可以间接控制端口

  GPIOA->BSRR = (1 << 5);// 此时PA5被置为1, 其他端口不受影响
  GPIOA->BSRR = (1 << (5 + 16)); // // 此时PA5被置为0, 其他端口不受影响
  

• BSRR对于拉高的操作比较方便 , 某组BSRR = (1 << 引脚编号);即可, 但是拉低操作稍显复杂, 需要使用某组BSRR = (1 << (引脚编号 + 16));来操作, 于是又设置了一个BRR, 专门用来简化拉低操作

  GPIOA->BSRR = (1 << 5); // 用BSRR来拉高引脚
  GPIOA->BRR = (1 << 5); // 用BRR拉低引脚
  

6、影子寄存器

BSRR和BRR实际都是一种叫做影子寄存器Shadow Register的寄存器类型

影子寄存器在硬件上实际没有真正对应的寄存器, 硬件会自动将对影子寄存器的操作转换为对其他寄存器的操作, 所以大多数影子寄存器写1和0都不用考虑之后其状态如何, 是否需要复位和置位等, 对影子寄存器的每次操作都是独立的, 不受前后代码影响

影子寄存器通常只能写