GPIO(通用輸入輸出接口)

1 GPIO 功能概述

GPIO 是通用輸入/輸出（General Purpose I/O）的簡稱，主要用于工業(yè)現(xiàn)場需要用到數(shù)字量輸入/輸出的場合，例如：

• 輸出功能 ：繼電器、 LED、蜂鳴器等的控制
• 輸入功能 ：傳感器狀態(tài)、高低電平等信息的讀取
• 復用功能 ：片內(nèi)外設(shè)的對外接口
• 時序模擬 ：模擬 SPI、I2C 和 UART 等常用接口的時序

2 STM32 的 GPIO 特性

• 多種工作模式：輸出/輸入/復用/模擬
• 靈活的復用模式
• 5V 電壓容限
• 外部中斷功能

3 端口和引腳

• 端口（PORT）： 獨立的外設(shè)子模塊，包括多個引腳，通過多個硬件寄存器控制引腳。

GPIO 模塊由端口 GPIOA、GPIOB、GPIOC 等多個獨立的子模塊構(gòu)成。

例如：端口 GPIOA 包括 PA0 ～ PA15 這 16 個引腳，通過 10 個硬件寄存器控制引腳工作。

• 引腳（PIN）： 對應(yīng)微控制器的一個管腳，歸屬于端口，由端口寄存器的對應(yīng)位控制。

PA0，屬于端口 GPIOA，輸出電平由端口 GPIOA 的輸出數(shù)據(jù)寄存器 GPIOA_ODR 的第 0 位決定。

4 GPIO 電路

5 GPIO 工作模式

• 輸入模式：浮空輸入/上拉輸入/下拉輸入
  • 浮空輸入：按鍵識別
  • 上拉輸入：IO 內(nèi)部上拉電阻輸入
  • 下拉輸入：IO 內(nèi)部下拉電阻輸入
• 輸出模式：推挽輸出/開漏輸出
• 推挽輸出時，P-MOS 管和 NMOS 管輪流工作，可以輸出高電平或低電平。主要用于連接數(shù)字器件，如指示燈和繼電器等模塊；
• 開漏輸出時，P-MOS 管關(guān)閉，只有 N-MOS 管工作，此時只能輸出低電平。要輸出高電平必須外加上拉電阻，主要用于 I2C 總線。
• 模擬模式
• 模擬狀態(tài)：表示引腳功能選擇為模擬模式，但不作為任何片內(nèi)模擬外設(shè)的復用腳，只是為了減少系統(tǒng)功耗。
• 模擬外設(shè)復用引腳：表示引腳作為片內(nèi)模擬外設(shè)（A/D 轉(zhuǎn)換模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、模擬比較器等）的復用腳，用于完成相應(yīng)的功能操作。
• 復用模式
  在 CubeMX 軟件的引腳分配圖中點擊引腳即可彈出引腳的復用功能
• 復用推挽：片內(nèi)外設(shè)功能（URAT 的 TX，RX，SPI 的 MOSI，MISO，SCK，SS ）；
• 復用開漏：片內(nèi)外設(shè)功能（ I2C 的 SCL，SDA ）。

6 基于 HAL 庫控制 GPIO

6.1 GPIO 外設(shè)的數(shù)據(jù)類型

1. 引腳初始化： 采用結(jié)構(gòu)體類型實現(xiàn)，用于定義引腳的序號、工作模式、輸出速度等基本特性。
2. 引腳電平狀態(tài)： 采用枚舉類型實現(xiàn)，用于定義引腳的電平狀態(tài)：高電平和低電平。
3. 引腳所屬端口： 采用結(jié)構(gòu)體指針實現(xiàn)，用于訪問該端口所對應(yīng)的寄存器組。

引腳初始化數(shù)據(jù)類型

• 成員變量 Pin 的取值范圍：GPIO_PIN_0 ~ GPIO_PIN15

• 成員變量 Pin 的取值范圍：

  GPIO_MODE_INPUT	浮空輸入模式
  GPIO_MODE_OUTPUT_PP	推挽輸出模式
  GPIO_MODE_OUTPUT_OD	開漏輸出模式
  GPIO_MODE_AF_PP	復用功能下的推挽模式
  GPIO_MODE_AF_OD	復用功能下的開漏模式
  GPIO_MODE_ANALOG	模擬模式

• 成員變量 Pull 的取值范圍：

  GPIO_NOPULL	沒有上拉或下拉電阻激活
  GPIO_PULLUP	上拉電阻激活
  GPIO_PULLDOWN	下拉電阻激活

• 成員變量 Speed 的取值范圍：

  GPIO_SPEED_FREQ_LOW	引腳輸出速度 2MHz
  GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM	引腳輸出速度 12.5MHz ～ 50MHz
  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH	引腳輸出速度 25MHz ～ 100MHz
  GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH	引腳輸出速度 50MHz ～ 200MHz

• 成員變量 Alternate 的取值范圍

  • Alternate 表示引腳的復用功能；
  • 由于不同型號的 STM32 微控制器片內(nèi)集成的外設(shè)不同，因此該成員變量的取值范圍由芯片型號決定。
  • 以 STM32F1 系列芯片為例，通過查閱stm32f1xx_hal_gpio_ex.h文件可以了解 Alternate 的取值范圍；
  • 該成員變量的取值一般通過 CubeMX 軟件分配，不需要用戶手動設(shè)置；

引腳電平狀態(tài)數(shù)據(jù)類型

端口數(shù)據(jù)類型：指向端口寄存器組的結(jié)構(gòu)體指針

GPIOA,GPIOB,GPIOC…

• 不同型號的 STM32 微控制器的端口數(shù)量各不相同；
• 端口數(shù)據(jù)類型的定義是在以芯片型號命名的.h 文件中.

6.2 使用 HAL 庫的引腳初始化步驟

1. 定義變量： 利用引腳初始化結(jié)構(gòu)體類型GPIO_InitTypeDef 定義一個結(jié)構(gòu)體變量。
2. 設(shè)置模式： 按照引腳的工作模式，依次對該結(jié)構(gòu)體的成員變量賦值，如 pin、mode、pull 等。
3. 調(diào)用函數(shù)： 調(diào)用初始化函數(shù)HAL_GPIO_Init將配置參數(shù)寫入到對應(yīng)的寄存器，入口參數(shù)為端口號和結(jié)構(gòu)體變量。

6.3 GPIO 外設(shè)接口函數(shù)的概述

1. 引腳初始化函數(shù)：HAL_GPIO_Init

   函數(shù)原型	復位引腳到初始狀態(tài)
   功能描述	引腳初始化
   入口參數(shù) 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
   入口參數(shù) 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結(jié)構(gòu)體指針，該結(jié)構(gòu)體包含指定引腳的配置參數(shù)
   返回值	無
   注意事項	該函數(shù)可以由 CubeMX 軟件自動生成

2. 引腳復位函數(shù)：HAL_GPIO_DeInit

   函數(shù)原型	void HAL_GPIO_DeInit (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint32_t GPIO_Pin)
   功能描述	復位引腳到初始狀態(tài)
   入口參數(shù) 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
   入口參數(shù) 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結(jié)構(gòu)體指針，該結(jié)構(gòu)體包含指定引腳的配置參數(shù)
   返回值	無
   注意事項	該函數(shù)需要用戶調(diào)用

3. 讀取引腳函數(shù)：HAL_GPIO_ReadPin

   函數(shù)原型	GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin ( GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin )
   功能描述	讀取引腳的電平狀態(tài)
   入口參數(shù) 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
   入口參數(shù) 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結(jié)構(gòu)體指針，該結(jié)構(gòu)體包含指定引腳的配置參數(shù)
   返回值	GPIO_PinState：表示引腳電平狀態(tài)的枚舉類型變量，可以是GPIO_PIN_SET 或 GPIO_PIN_RESET
   注意事項	該函數(shù)需要用戶調(diào)用

4. 寫入引腳函數(shù)：HAL_GPIO_WritePin

   函數(shù)原型	void HAL_GPIO_WritePin( GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState )
   功能描述	設(shè)置引腳輸出高/低電平
   入口參數(shù) 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
   入口參數(shù) 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結(jié)構(gòu)體指針，該結(jié)構(gòu)體包含指定引腳的配置參數(shù)
   返回值	GPIO_PinState：表示引腳電平狀態(tài)的枚舉類型變量，可以是 GPIO_PIN_SET 或 GPIO_PIN_RESET
   注意事項	該函數(shù)需要用戶調(diào)用

5. 翻轉(zhuǎn)引腳函數(shù)：HAL_GPIO_TogglePin

   函數(shù)原型	void HAL_GPIO_TogglePin (GPIO_TypeDef * GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
   功能描述	翻轉(zhuǎn)引腳狀態(tài)
   入口參數(shù) 1	GPIOx：引腳端口號，取值范圍是 GPIOA ～ GPIOK
   入口參數(shù) 2	GPIO_Init：指向引腳初始化類型 GPIO_InitTypeDef 的結(jié)構(gòu)體指針，該結(jié)構(gòu)體包含指定引腳的配置參數(shù)
   返回值	無
   注意事項	該函數(shù)需要用戶調(diào)用

任務(wù)實踐

基于STM32F103C8T6，開發(fā)板原理圖

采用查詢方式檢測按鍵KEY1狀態(tài)，按鍵按下后執(zhí)行操作：翻轉(zhuǎn)指示燈 LED1 的狀態(tài)。

注：本任務(wù)例程使用的開發(fā)板，LED1與STM32的PA1相連接，KEY1與PA0相連接。KEY1原理圖如下：

使用按鍵時，需要設(shè)置PA0為輸入上拉模式，這樣在KEY1沒有按下時，PA0可以讀取到高電平，KEY1按下時PA0可以讀取到低電平。

按鍵消抖：

通常的按鍵所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，當機械觸點斷開、閉合時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象而作的措施就是按鍵消抖。

抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5ms～10ms。按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒至數(shù)秒。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。

下圖為按鍵按下時，電壓波形的變化。

• 前沿抖動 5 ～ 10ms，后沿抖動 5 ～ 10ms
• 按鍵的抖動會導致一次按鍵動作被當成多次按鍵，為確保 MCU 對按鍵的一次閉合僅作一次處理，必須消除按鍵的抖動，在按鍵處于穩(wěn)定狀態(tài)時讀取按鍵的狀態(tài)。
• 硬件消抖：利用 RC 低通濾波器濾掉抖動
  
• 軟件消抖：
  1. 檢測出按鍵閉合后執(zhí)行延時程序，延時時間為 5ms ～ 10ms，用于去掉前沿抖動；
  2. 再次檢測按鍵狀態(tài)，如果保持閉合狀態(tài)，才認為按下，并執(zhí)行相應(yīng)的按鍵任務(wù)；
  3. 按鍵的釋放可以采用延時或者循環(huán)檢測的方式去掉后沿抖動。

1. 配置 PA0 為 GPIO_Input，PA1 為 GPIO_Output
   
2. PA1 保持默認 GPIO 輸出模式即可
   
3. PA0 配置為輸入模式，上拉
   

以上步驟生成如下代碼:

stm32f1xx_hal_gpio.c中生成 GPIO 引腳初始化函數(shù)MX_GPIO_Init，并在 main.c 中調(diào)用

• 開啟外設(shè)時鐘 RCC
• 配置 PA0，PA1 兩個引腳結(jié)構(gòu)

void MX_GPIO_Init(void)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PA0 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PA1 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

}

4. 編寫程序

在main.c中編寫程序

/* USER CODE BEGIN 3 */
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
    {
      HAL_Delay(10);
      if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
      {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1);
      }
      while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET);
    }
  }
  /* USER CODE END 3 */