STM32的GPIO在實際開發(fā)設計的使用配置和技巧

一、前言

本篇開始對STM32的GPIO在實際開發(fā)設計中的使用配置和技巧進行探討，可以先去回顧下之前介紹的GPIO的相關理論基礎知識包括基本結構，工作模式和寄存器原理。

了解過STM32的GPIO相關的理論知識，這樣在應用GPIO開發(fā)過程中，能更好的理解GPIO的特點，應用起來會更加的得心應手。

后續(xù)將從以下圖1中所示的幾個方面對GPIO應用設計中的步驟展開介紹。本篇先介紹GPIO的基本API函數(shù)定義，配置初始化的流程，以及使用技巧；針對將GPIO的引腳用于外部中斷的功能將作為單獨的一篇進行詳細的討論介紹。

圖1 GPIO應用設計

二、API函數(shù)

STM32有多種類型的庫，本節(jié)所介紹的STM32的GPIO函數(shù)接口是STM32標準庫的函數(shù)接口，接口總共分為4種類型，如圖2所示。

圖2 GPIO庫函數(shù)接口分類

1、關鍵參數(shù)

在詳細介紹各個API函數(shù)接口功能之前，我們需要對函數(shù)接口中使用到的關鍵的幾個參數(shù)進行分析。

(1)、GPIO_TypeDef GPIOx *

這個參數(shù)是用于指定需要具體的GPIO端口號定義，參數(shù)的范圍為GPIOA~GPIOK。

(2)、GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct *

這個參數(shù)是GPIO端口需要初始化的功能參數(shù)的結構體指針，下面我們看看這個結構體的定義。

typedef struct
{
    uint32_t GPIO_Pin;            //GPIO端口的引腳
    GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;   //GPIO的端口模式                                         
    GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; //GPIO的輸出速度頻率
    GPIOOType_TypeDef GPIO_OType; //GPIO輸出時的類型
    GPIOPuPd_TypeDef GPIO_PuPd;   //GPIO上下拉電阻設置                                       
}GPIO_InitTypeDef;

(a)、GPIO端口的引腳：可選范圍為GPIO_Pin_0~GPIO_Pin_15，也可以選所有引腳GPIO_Pin_All。

(b)、GPIO的端口模式：用于設置GPIO的端口模式，可選的端口模式如下。

typedef enum
{
    GPIO_Mode_IN  = 0x00, //普通IO口輸入
    GPIO_Mode_OUT = 0x01, //普通IO口輸出
    GPIO_Mode_AF  = 0x02, //管腳復用功能
    GPIO_Mode_AN  = 0x03  //模擬輸入，用于ADC功能
}GPIOMode_TypeDef;

(c)、GPIO的輸出速度頻率：當GPIO引腳用于普通功能輸出或復用功能輸出時，GPIO的輸出速度頻率，可選的輸出速率如下。

typedef enum
{
    GPIO_Low_Speed     = 0x00, //GPIO_Speed_2MHz
    GPIO_Medium_Speed  = 0x01, //GPIO_Speed_25MHz
    GPIO_Fast_Speed    = 0x02, //GPIO_Speed_50MHz
    GPIO_High_Speed    = 0x03  //GPIO_Speed_100MHz
}GPIOSpeed_TypeDef;

速度高的IO耗電大、噪聲也大，速度低的IO耗電小、噪聲也小。使用合適的速度可以降低功耗和噪聲。高頻的驅動電路，噪聲也高，當不需要高的輸出頻率時，請選用低頻驅動電路，這樣非常有利于提高系統(tǒng)的EMI性能，也可以降低功耗。當然如果要輸出較高頻率的信號，但卻選用了較低頻率的速度，很可能會得到失真的輸出信號。關鍵是GPIO的引腳速度跟應用匹配。

(d)、GPIO輸出時的類型：當GPIO引腳用于普通功能輸出或復用功能輸出時，可選擇設置的GPIO的輸出結構類型有如下。

typedef enum
{
    GPIO_OType_PP = 0x00, //推挽結構
    GPIO_OType_OD = 0x01 //開漏結構
}GPIOOType_TypeDef;

推挽輸出時，可以輸出高或者低電平；開漏輸出時，如果要輸出高電平，則需要在芯片內部配置上拉電阻（弱上拉）或者在芯片IO外部連接上拉電阻。

(e)、GPIO上下拉電阻設置：可以為GPIO端口的引腳選擇設置是否具備帶上拉或下拉電阻功能。

typedef enum
{
    GPIO_PuPd_NOPULL = 0x00, //無上拉或者下拉
    GPIO_PuPd_UP     = 0x01, //帶上拉電阻
    GPIO_PuPd_DOWN   = 0x02 //帶下拉電阻
}GPIOPuPd_TypeDef;

STM32芯片GPIO的上拉電阻和下拉電阻最小值，典型值和最大值如下：

(3)、uint16_t GPIO_PinSource和uint8_t GPIO_AF

這兩個參數(shù)都是GPIO端口引腳需要配置成復用功能引腳用到的參數(shù)。

GPIO_PinSource：指需配置的復用功能引腳源，可選范圍GPIO_PinSource0

~GPIO_PinSource15。

GPIO_AF：指該引腳具體需要配置的功能，具體配置功能要看實際應用需求，例如需要配置成SPI1功能的引腳，那么就選GPIO_AF_SPI1。

2、函數(shù)接口

下面就對具體的函數(shù)接口進行逐個的介紹。由于使用的是STM32的標準庫，GPIO 相關的函數(shù)及配置定義和可以調用的接口放置在官方提供的標準庫文件 stm32fxx_gpio.c和頭文件 stm32fxx_gpio.h 文件中。

(1)、void GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef GPIOx); *

作用：將GPIO端口設置成初始的默認狀態(tài)，相當于復位GPIO端口，默認的狀態(tài)為輸入浮空的狀態(tài)。

舉例：GPIO_DeInit(GPIOA)，將GPIOA端口所有引腳復位到默認狀態(tài)。

(2)、void GPIO_Init(GPIO_TypeDef GPIOx, GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct);**

作用：將GPIO端口引腳進行功能狀態(tài)初始化。

舉例：將GPIOA的pin1引腳設為普通輸出功能，IO驅動速率可達50MHz，推挽模式，帶上拉電阻。

gpio_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
gpio_InitStruct. GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
gpio_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Fast_Speed;
gpio_InitStruct. GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
gpio_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOA, &gpio_InitStruct);

(3)、void GPIO_StructInit(GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct); *

作用：獲取GPIO端口的所有引腳的一個默認狀態(tài)，可應用于某個GPIO端口上。該函數(shù)內部默認的引腳默認狀態(tài)如下。

GPIO_InitStruct- >GPIO_Pin  = GPIO_Pin_All;
GPIO_InitStruct- >GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;
GPIO_InitStruct- >GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_InitStruct- >GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStruct- >GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

舉例：使用gpio_InitStruct快速獲取到了引腳的默認狀態(tài)值。

GPIO_StructInit(&gpio_InitStruct);

(4)、void GPIO_PinLockConfig(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); *

作用：將指定GPIO端口引腳當前的配置進行鎖定，鎖定后該引腳配置不能被修改，只有等下次MCU復位鎖定才能釋放。

舉例：鎖定GPIOA的管腳pin1配置不被修改。

GPIO_PinLockConfig(GPIOA, GPIO_Pin_1);

(5)、uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); *

作用：為當GPIO的相應管腳配置成輸入時，讀取該GPIO端口下的相應引腳輸入電平值。

舉例：讀取GPIOA的pin1引腳輸入電平值。

status = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);

(6)、uint16_t GPIO_ReadInputData(GPIO_TypeDef GPIOx); *

作用：為當GPIO配置成輸入時，讀取該GPIO端口下的所有引腳輸入電平值。

舉例：讀取GPIOA端口所有引腳的輸入電平值。

status = GPIO_ReadInputData(GPIOA);

(7)、uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); *

作用：為當GPIO的相應管腳配置成輸出時，讀取該GPIO端口下的相應引腳輸出電平值。

舉例：讀取GPIOA的pin1引腳輸出電平值。

status = GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);

(8)、uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef GPIOx); *

作用：為當GPIO配置成輸出時，讀取該GPIO端口下的所有引腳輸出電平值。

舉例：讀取GPIOA端口所有引腳的輸出電平值。

status = GPIO_ReadOutputData(GPIOA);

(9)、void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); *

作用：置位相應GPIO端口引腳的電平值。

舉例：將GPIOA的pin1管腳電平置為1。

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);

也可以用于多個引腳電平的置位，

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3);

(10)、void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); *

作用：清零相應GPIO端口引腳的電平值。

舉例：將GPIOA的pin1管腳電平置為0，

GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);

也可以用于多個引腳電平的清零。

GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3);

(11)、void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal); *

作用：將GPIO端口的指定管腳電平置1或置0。

舉例：將GPIOA的pin1管腳電平置為1。

GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, 1);

也可以用于多個引腳電平操作。

GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3, 1)

(12)、void GPIO_Write(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t PortVal); *

作用：將GPIO端口的所有管腳電平置1或置0。

舉例：將GPIOA端口的所有管腳電平置為1。

GPIO_Write(GPIOA, 1);

(13)、void GPIO_ToggleBits(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); *

作用：翻轉指定GPIO引腳的輸出電平，即0變?yōu)?，1變?yōu)?。

舉例：翻轉GPIOA的pin1管腳電平值。

GPIO_ToggleBits(GPIOA , GPIO_Pin_1);

(14)、void GPIO_PinAFConfig(GPIO_TypeDef GPIOx, uint16_t GPIO_PinSource, uint8_t GPIO_AF); *

作用：將GPIO的指定管腳配置成復用功能管腳。

舉例：將GPIOA的pin9管腳配置成串口USART1的功能管腳。

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1);

三、配置流程

配置流程主要在實際的驅動配置中對GPIO進行初始化的操作，根據(jù)實際項目應用開發(fā)中的芯片GPIO引腳的定義，進行合理的配置。圖3所示為GPIO的基本配置操作流程。

圖3 GPIO配置流程

(1)、使能對應GPIO的時鐘

在配置GPIO的開始，首先需要將對應的GPIO模塊的時鐘打開，這樣才能為GPIO工作提供動力源，因此只有先將GPIO的時鐘打開才能使GPIO正常的工作。

關于STM32芯片內部整體的時鐘系統(tǒng)，可以回顧之前明解STM32時鐘系統(tǒng)的文章介紹。STM32的GPIO模塊是掛載在芯片內部AHB1總線（AHB：高級高性能總線）上的外設，因此就需要打開GPIO在AHB1總線上對應的時鐘。AHB1總線上的外設時鐘開關在STM32提供的標準庫函數(shù)中通過函數(shù) RCC_AHB1PeriphClockCmd ()來實現(xiàn)的。例如調用：

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

這樣就將GPIOA的時鐘打開，也可以同時打開多個GPIO端口的時鐘：

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA|RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);

(2)、引腳功能配置

接下來對GPIO引腳的配置是需要根據(jù)實際的項目應用要求，根據(jù)各個芯片管腳的定義來對引腳的功能進行合理的配置，主要是根據(jù)引腳是使用成普通IO輸出還是輸入，復用功能還是模擬管腳來調用GPIO_Init()函數(shù)進行配置。舉例說明：

用于普通IO輸出時：

GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, 1);//向引腳輸出0或1電平，在GPIO_Init前調用
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;//設置使用引腳
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通IO輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//根據(jù)實際應用配置輸出結構類型
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//根據(jù)實際應用配置輸出速度
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//根據(jù)實際應用配置上拉或下拉電阻
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化PA1引腳

需要注意的是，初始化輸出電平時，需要先調用寫引腳電平接口，再做初始化操作，這是因為GPIO_WriteBit是將輸出的值寫入寄存器輸出置位/復位寄存器BSRR，BSRR寄存器復位值是0，GPIO_Init相當于將GPIO引腳初始化完打開輸出開關。如果需要輸出的是高電平，GPIO_WriteBit在前，GPIO_Init在后相當于在沒打開開關之前就將1在BSRR中放置好，GPIO_Init將開關一打開就可以輸出高電平；如果GPIO_Init在前，GPIO_WriteBit在后，GPIO_Init完會將BSRR中的0先輸出，過了一個函數(shù)指令周期后調用GPIO_WriteBit才輸出高電平，因此若驅動時序對函數(shù)指令周期敏感的外圍器件時，可能帶來驅動時序問題！

用于普通IO輸入時：

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;//設置使用引腳
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通IO輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//根據(jù)實際應用配置輸出速度
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//根據(jù)實際應用配置上拉或下拉電阻
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化PA1引腳

用于復用功能時:

在管腳應用于復用功能時，需要調用GPIO_PinAFConfig()接口來將管腳配置成具體的外設管腳。

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1); //PA9 復用為 USART1
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1); //PA10復用為USART1
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10; //設置使用引腳
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//復用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //根據(jù)實際應用配置輸出速度
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //根據(jù)實際應用配置輸出結構類型
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //根據(jù)實際應用配置上拉或下拉電阻
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA9和PA10引腳

用于模擬管腳時:

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;//PA5 通道 5
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//模擬輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不帶上下拉
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化PA5引腳

當STM32需要進行 AD( 模數(shù) ) 轉換采樣時，需要把引腳設置為模擬輸入模式，模擬輸入模式下，不需要連接上拉和下拉電阻，因為GPIO用于模擬功能時，引腳的上、下拉電阻是不起作用的。這個時候即使在配置了上拉或下拉電阻，也不會影響到模擬信號的輸入。

(3)、對GPIO引腳進行操作

在初始化完GPIO引腳的具體配置后，就可以對GPIO引腳進行具體的操作使用了。

用于普通IO輸出時：

可以調用相關GPIO相關寫操作接口對引腳進行輸出0或者1的操作：GPIO_SetBits、GPIO_ResetBits、GPIO_WriteBit、GPIO_ToggleBits。

也可以調用相關GPIO讀接口對輸出類型的GPIO進行讀取引腳電平的操作GPIO_ReadOutputDataBit。

用于普通IO輸入時：

可以調用相關GPIO讀接口對輸入類型的GPIO進行讀取引腳電平的操作：GPIO_ReadInputDataBit。

用于復用功能時:

需要根據(jù)實際使用時的具體外設配置，接著初始化相應的片上外設后，調用具體的外設信號讀或者寫接口進行信號的讀寫操作。

用于模擬管腳時:

由于模擬管腳功能是用芯片上的ADC對芯片外部的模擬信號進行采樣，因此還需要初始化完ADC外設后，調用ADC外設采樣的接口進行信號讀取。

四、使用技巧

在日常程序開發(fā)調試的過程中，可以簡單有效的利用GPIO驅動輸出高低電平來進行輔助的測試及驗證工作。下面介紹幾個較為常用的使用場景，如果有其它可以利用GPIO的方法和技巧，也請大家積極留言，我們一起探討。

(1)、在boot程序階段使用IO翻轉輸出信號的頻率可以和APP程序階段使用IO翻轉輸出信號的頻率相異，通過使用示波器測量波形，用于區(qū)分程序是運行在boot程序階段還是APP程序階段，即不同程序階段。

(2)、在使用定時器中斷的時候，為了確保定時器時基設置的正確性，測試是可以定時器中斷中增加IO口信號翻轉邏輯，通過使用示波器測量翻轉的頻率來測試驗證定時器中斷的周期。

void TIM1_IRQHandler(void) //定時器 1 中斷服務函數(shù)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM1,TIM_IT_Update)==SET) //溢出中斷
    {
        GPIO_ToggleBits(); //IO口信號翻轉操作邏輯，用于驗證定時器中斷頻率
    }
    TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_Update); //清除中斷標志位
}

(3)、在不同的程序段中使用多個IO，輸出高電平，通過示波器測量IO口之間輸出高電平的間隔，可以確定兩個程序段之間運行的準確時間。

(4)、在板卡上沒有LED進行閃爍指示的情況或沒有使用外部看門狗芯片的情況下，為了確認程序是否仍然在正常運行，需要留出一個IO口，用于翻轉高低電平輸出，后續(xù)就可以用示波器測量該信號的有無來判斷程序是否死機。

(5)、在沒有調試打印程序信息的串口時，查找死機問題的時候，放置不同的IO輸出高電平的在不同的程序段，這樣類似的進行插樁驅動測試，通過示波器測量信號，可以大體的定位在程序運行的哪一塊發(fā)生了死機的問題。

(6)、在測試驗證階段，可以將某個IO引腳配置成輸入模式，利用外部給的激勵信號，在程序中判斷讀到的信號電平的高低狀態(tài)，去作為邏輯判斷條件進行一些代碼段的驗證測試。

五、總結

本篇主要主要是對STM32的GPIO在日常基本應用開發(fā)中的具體的操作配置和使用方法進行了說明，包括API功能函數(shù)的定義，驅動初始化的配置流程以及一些利用GPIO操作的相關技巧，后續(xù)將對GPIO使用成外部中斷時進行詳細的介紹。