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明解STM32—GPIO應用設計篇之API函數及設定使用技巧

2023-04-27 06:00:46

一、前言

        本篇開始對STM32的GPIO在實際開發設計中的使用設定和技巧進行探討，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，工作模式和暫存器原理。

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

        後續將從以下圖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函數定義，設定初始化的流程，以及使用技巧；針對將GPIO的引腳用於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

        STM32有多種型別的庫，本節所介紹的STM32的GPIO函數介面是STM32標準庫的函數介面，介面總共分為4種型別，如圖2所示。​

圖2 GPIO庫函數介面分類

1、關鍵引數

        在詳細介紹各個API函數介面功能之前，我們需要對函數介面中使用到的關鍵的幾個引數進行分析。

(1)、GPIO_TypeDef* GPIOx

        這個引數是用於指定需要具體的GPIO埠號定義，引數的範圍為GPIOA~GPIOK。

(2)、GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct

        這個引數是GPIO埠需要初始化的功能引數的結構體指標，下面我們看看這個結構體的定義。

1 typedef struct
2 {
3     uint32_t GPIO_Pin;            //GPIO埠的引腳
4     GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;   //GPIO的埠模式                                         
5     GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed; //GPIO的輸出速度頻率
6     GPIOOType_TypeDef GPIO_OType; //GPIO輸出時的型別
7     GPIOPuPd_TypeDef GPIO_PuPd;   //GPIO上下拉電阻設定                                       
8 }GPIO_InitTypeDef;

　　(a)、GPIO埠的引腳：可選範圍為GPIO_Pin_0~GPIO_Pin_15，也可以選所有引腳GPIO_Pin_All。

　　(b)、GPIO的埠模式：用於設定GPIO的埠模式，可選的埠模式如下。

1 typedef enum
2 {
3     GPIO_Mode_IN  = 0x00, //普通IO口輸入
4     GPIO_Mode_OUT = 0x01, //普通IO口輸出
5     GPIO_Mode_AF  = 0x02, //管腳複用功能
6     GPIO_Mode_AN  = 0x03  //模擬輸入，用於ADC功能
7 }GPIOMode_TypeDef;

        (c)、GPIO的輸出速度頻率：當GPIO引腳用於普通功能輸出或複用功能輸出時，GPIO的輸出速度頻率，可選的輸出速率如下。

1 typedef enum
2 {
3     GPIO_Low_Speed     = 0x00, //GPIO_Speed_2MHz
4     GPIO_Medium_Speed  = 0x01, //GPIO_Speed_25MHz
5     GPIO_Fast_Speed    = 0x02, //GPIO_Speed_50MHz
6     GPIO_High_Speed    = 0x03  //GPIO_Speed_100MHz
7 }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，這樣非常有利於提高系統的EMI效能，也可以降低功耗。當然如果要輸出較高頻率的訊號，但卻選用了較低頻率的速度，很可能會得到失真的輸出訊號。關鍵是GPIO的引腳速度跟應用匹配。

        (d)、GPIO輸出時的型別：當GPIO引腳用於普通功能輸出或複用功能輸出時，可選擇設定的GPIO的輸出結構型別有如下。

1 typedef enum
2 {
3     GPIO_OType_PP = 0x00, //推輓結構
4     GPIO_OType_OD = 0x01 //開漏結構
5 }GPIOOType_TypeDef;

        推輓輸出時，可以輸出高或者低電平；開漏輸出時，如果要輸出高電平，則需要在晶片內部設定上拉電阻（弱上拉）或者在晶片IO外部連線上拉電阻。

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

1 typedef enum
2 {
3     GPIO_PuPd_NOPULL = 0x00, //無上拉或者下拉
4     GPIO_PuPd_UP     = 0x01, //帶上拉電阻
5     GPIO_PuPd_DOWN   = 0x02 //帶下拉電阻
6 }GPIOPuPd_TypeDef;

        STM32晶片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

        這兩個引數都是GPIO埠引腳需要設定成複用功能引腳用到的引數。

        GPIO_PinSource：指需設定的複用功能引腳源，可選範圍GPIO_PinSource0~GPIO_PinSource15。

        GPIO_AF：指該引腳具體需要設定的功能，具體設定功能要看實際應用需求，例如需要設定成SPI1功能的引腳，那麼就選GPIO_AF_SPI1。

2、函數介面

        下面就對具體的函數介面進行逐個的介紹。由於使用的是STM32的標準庫，GPIO 相關的函數及設定定義和可以呼叫的介面放置在官方提供的標準庫檔案 stm32fxx_gpio.c和標頭檔案 stm32fxx_gpio.h 檔案中。

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

        作用：將GPIO埠設定成初始的預設狀態，相當於復位GPIO埠，預設的狀態為輸入浮空的狀態。

        舉例：GPIO_DeInit(GPIOA)，將GPIOA埠所有引腳復位到預設狀態。

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

        作用：將GPIO埠引腳進行功能狀態初始化。

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

1 gpio_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
2 gpio_InitStruct. GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
3 gpio_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Fast_Speed;
4 gpio_InitStruct. GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
5 gpio_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
6 GPIO_Init(GPIOA, &gpio_InitStruct);

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

        作用：獲取GPIO埠的所有引腳的一個預設狀態，可應用於某個GPIO埠上。該函數內部預設的引腳預設狀態如下。

1 GPIO_InitStruct->GPIO_Pin  = GPIO_Pin_All;
2 GPIO_InitStruct->GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;
3 GPIO_InitStruct->GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
4 GPIO_InitStruct->GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
5 GPIO_InitStruct->GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

        舉例：使用gpio_InitStruct快速獲取到了引腳的預設狀態值。

1 GPIO_StructInit(&gpio_InitStruct);

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

        作用：將指定GPIO埠引腳當前的設定進行鎖定，鎖定後該引腳設定不能被修改，只有等下次MCU復位鎖定才能釋放。

        舉例：鎖定GPIOA的管腳pin1設定不被修改。

1 GPIO_PinLockConfig(GPIOA, GPIO_Pin_1);

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

        作用：為當GPIO的相應管腳設定成輸入時，讀取該GPIO埠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。

1 status = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);

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

        作用：為當GPIO設定成輸入時，讀取該GPIO埠下的所有引腳輸入電平值。

        舉例：讀取GPIOA埠所有引腳的輸入電平值。

1 status = GPIO_ReadInputData(GPIOA);

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

        作用：為當GPIO的相應管腳設定成輸出時，讀取該GPIO埠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。

1 status = GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1);

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

        作用：為當GPIO設定成輸出時，讀取該GPIO埠下的所有引腳輸出電平值。

        舉例：讀取GPIOA埠所有引腳的輸出電平值。

1 status = GPIO_ReadOutputData(GPIOA);

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

        作用：置位相應GPIO埠引腳的電平值。

        舉例：將GPIOA的pin1管腳電平置為1。

1 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);

        也可以用於多個引腳電平的置位。

1 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埠引腳的電平值。

        舉例：將GPIOA的pin1管腳電平置為0。

1 GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);

        也可以用於多個引腳電平的清零。

1 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埠的指定管腳電平置1或置0。

        舉例：將GPIOA的pin1管腳電平置為1。

1 GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, 1);

        也可以用於多個引腳電平操作。

1 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埠的所有管腳電平置1或置0。

        舉例：將GPIOA埠的所有管腳電平置為1。

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變為1，1變為0。

        舉例：翻轉GPIOA的pin1管腳電平值。

1 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的指定管腳設定成複用功能管腳。

        舉例：將GPIOA的pin9管腳設定成串列埠USART1的功能管腳。

1 GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1);

三、設定流程

        設定流程主要在實際的驅動設定中對GPIO進行初始化的操作，根據實際專案應用開發中的晶片GPIO引腳的定義，進行合理的設定。圖3所示為GPIO的基本設定操作流程。​

圖3 GPIO設定流程

(1)、使能對應GPIO的時鐘

        在設定GPIO的開始，首先需要將對應的GPIO模組的時鐘開啟，這樣才能為GPIO工作提供動力源，因此只有先將GPIO的時鐘開啟才能使GPIO正常的工作。

        關於STM32晶片內部整體的時鐘系統，可以回顧之前明解STM32時鐘系統的文章介紹。STM32的GPIO模組是掛載在晶片內部AHB1匯流排（AHB：高階高效能匯流排）上的外設，因此就需要開啟GPIO在AHB1匯流排上對應的時鐘。AHB1匯流排上的外設時鐘開關在STM32提供的標準庫函數中通過函數 RCC_AHB1PeriphClockCmd ()來實現的。例如呼叫：

1 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);

         這樣就將GPIOA的時鐘開啟，也可以同時開啟多個GPIO埠的時鐘：

1 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA|RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);

(2)、引腳功能設定

        接下來對GPIO引腳的設定是需要根據實際的專案應用要求，根據各個晶片管腳的定義來對引腳的功能進行合理的設定，主要是根據引腳是使用成普通IO輸出還是輸入，複用功能還是模擬管腳來呼叫GPIO_Init()函數進行設定。舉例說明：

用於普通IO輸出時：

1 GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, 1);//向引腳輸出0或1電平，在GPIO_Init前呼叫
2 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;//設定使用引腳
3 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通IO輸出
4 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//根據實際應用設定輸出結構型別
5 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//根據實際應用設定輸出速度
6 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//根據實際應用設定上拉或下拉電阻
7 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，需要先呼叫寫引腳電平介面，再做初始化操作，這是因為GPIO_WriteBit是將輸出的值寫入暫存器輸出置位/復位暫存器BSRR，BSRR暫存器復位值是0，GPIO_Init相當於將GPIO引腳初始化完開啟輸出開關。如果需要輸出的是高電平，GPIO_WriteBit在前，GPIO_Init在後相當於在沒開啟開關之前就將1在BSRR中放置好，GPIO_Init將開關一開啟就可以輸出高電平；如果GPIO_Init在前，GPIO_WriteBit在後，GPIO_Init完會將BSRR中的0先輸出，過了一個函數指令週期後呼叫GPIO_WriteBit才輸出高電平，因此若驅動時序對函數指令週期敏感的外圍器件時，可能帶來驅動時序問題！

用於普通IO輸入時：

1 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;//設定使用引腳
2 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//普通IO輸入
3 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//根據實際應用設定輸出速度
4 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//根據實際應用設定上拉或下拉電阻
5 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化PA1引腳

用於複用功能時:

        在管腳應用於複用功能時，需要呼叫GPIO_PinAFConfig()介面來將管腳設定成具體的外設管腳。

1 GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1); //PA9 複用為 USART1
2 GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1); //PA10複用為USART1
3 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10; //設定使用引腳
4 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//複用功能
5 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //根據實際應用設定輸出速度
6 GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //根據實際應用設定輸出結構型別
7 GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //根據實際應用設定上拉或下拉電阻
8 GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA9和PA10引腳

用於模擬管腳時:

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

        當STM32需要進行 AD( 模數 ) 轉換取樣時，需要把引腳設定為模擬輸入模式，模擬輸入模式下，不需要連線上拉和下拉電阻，因為GPIO用於模擬功能時，引腳的上、下拉電阻是不起作用的。這個時候即使在設定了上拉或下拉電阻，也不會影響到模擬訊號的輸入。

(3)、對GPIO引腳進行操作

        在初始化完GPIO引腳的具體設定後，就可以對GPIO引腳進行具體的操作使用了。

用於普通IO輸出時：

　　可以呼叫相關GPIO相關寫操作介面對引腳進行輸出0或者1的操作：GPIO_SetBits、GPIO_ResetBits、GPIO_WriteBit、GPIO_ToggleBits。

　　也可以呼叫相關GPIO讀介面對輸出型別的GPIO進行讀取引腳電平的操作GPIO_ReadOutputDataBit。

用於普通IO輸入時：

        可以呼叫相關GPIO讀介面對輸入型別的GPIO進行讀取引腳電平的操作：GPIO_ReadInputDataBit。

用於複用功能時:

        需要根據實際使用時的具體外設設定，接著初始化相應的片上外設後，呼叫具體的外設訊號讀或者寫介面進行訊號的讀寫操作。

用於模擬管腳時:

        由於模擬管腳功能是用晶片上的ADC對晶片外部的模擬訊號進行取樣，因此還需要初始化完ADC外設後，呼叫ADC外設取樣的介面進行訊號讀取。

四、使用技巧

        在日常程式開發偵錯的過程中，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程式階段使用IO翻轉輸出訊號的頻率可以和APP程式階段使用IO翻轉輸出訊號的頻率相異，通過使用示波器測量波形，用於區分程式是執行在boot程式階段還是APP程式階段，即不同程式階段。

        (2)、在使用定時器中斷的時候，為了確保定時器時基設定的正確性，測試是可以定時器中斷中增加IO口訊號翻轉邏輯，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週期。

1 void TIM1_IRQHandler(void) //定時器 1 中斷服務函數
2 {
3     if(TIM_GetITStatus(TIM1,TIM_IT_Update)==SET) //溢位中斷
4     {
5         GPIO_ToggleBits(); //IO口訊號翻轉操作邏輯，用於驗證定時器中斷頻率
6     }
7     TIM_ClearITPendingBit(TIM1,TIM_IT_Update); //清除中斷標誌位
8 }

        (3)、在不同的程式段中使用多個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，可以確定兩個程式段之間執行的準確時間。

 

        (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晶片的情況下，為了確認程式是否仍然在正常執行，需要留出一個IO口，用於翻轉高低電平輸出，後續就可以用示波器測量該訊號的有無來判斷程式是否宕機。

        (5)、在沒有偵錯列印程式資訊的串列埠時，查詢宕機問題的時候，放置不同的IO輸出高電平的在不同的程式段，這樣類似的進行插樁驅動測試，通過示波器測量訊號，可以大體的定位在程式執行的哪一塊發生了宕機的問題。

        (6)、在測試驗證階段，可以將某個IO引腳設定成輸入模式，利用外部給的激勵訊號，在程式中判斷讀到的訊號電平的高低狀態，去作為邏輯判斷條件進行一些程式碼段的驗證測試。

五、總結

        本篇主要主要是對STM32的GPIO在日常基本應用開發中的具體的操作設定和使用方法進行了說明，包括API功能函數的定義，驅動初始化的設定流程以及一些利用GPIO操作的相關技巧，後續將對GPIO使用成外部中斷時進行詳細的介紹。

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