GPIO输入输出实验

5.1 STM32单片机GPIO概述

STM32中每个IO口都有很多个作用，比如这次我们使用的STM32F103ZET6的PA0口，既可以作为IO口使用，还可以作为待机唤醒（WAKEUP），模拟输入（ADC功能）等。根据数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征，GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。

（1）输入浮空

（2）输入上拉

（3）输入下拉

（4）模拟输入

（5）开漏输出

（6）推挽式输出

（7）推挽式复用功能

（8）开漏复用功能

每个I/O端口位可以自由编程，然而I/O端口寄存器必须按32位字被访问（不允许半字或字节访问）。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器的读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会产生异常错误。

STM32F103系列的基本IO口结构如下图所示

从结构图可以看出来，STM32的GPIO口可以配置好几个选项，内部上拉下拉电阻的选择，推挽输出或者开漏输出，对于复用功能，有专门的复用输入支路和输出支路。STM32F103的端口由10个寄存器控制，但是常用的并不多，时钟控制寄存器APB2ENR，模式控制寄存器CRH和CRL，输入寄存器IDR，输出寄存器ODR。

5.2 相关寄存器

5.2.1 APB2 外设时钟使能寄存器：RCC_APB2ENR

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
-
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
-	USART1EN	-	SPI1EN	TIM1EN	ADC2EN	ADC1EN	-	IOPEEN	IOPDEN	IOPCEN	IOPBEN	IOPAEN	-	AFIOEN

Bit 14：串口1时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 12：SPI1时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 11：定时器1时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 10：ADC2时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 9：ADC1时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 6：GPIOE时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 5：GPIOD时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 4：GPIOC时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 3：GPIOB时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 2：GPIOA时钟使能（写1开启，写0关闭）

Bit 0：辅助时钟IO时钟使能（写1开启，写0关闭）

5.2.2 端口配置低寄存器：GPIOx_CRL（x=A..E）

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
CNF7	MODE7	CNF6	MODE6	CNF5	MODE5	CNF4	MODE4
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
CNF3	MODE3	CNF2	MODE2	CNF1	MODE1	CNF0	MODE0

端口配置表：

bit 31Bit 30:bit 27Bit 26:bit 23Bit 22:bit 19Bit 18:bit 15Bit 14:bit 11Bit 10:bit 7Bit 6:bit 3Bit 2:	CNFy[1:0]：端口y的配置位（y=0……7）输入模式下：00：模拟输入模式01：浮空输入模式（复位后的状态）10：上拉/下拉输入模式11：保留输出模式下：00：通用推挽输出模式01：通用开漏输出模式10：复用功能推挽输出模式11：复用功能开漏输出模式
bit 29Bit 28:bit 25Bit 24:bit 21Bit 20:bit 17Bit 16:bit 13Bit 12:bit 9Bit 8:bit 5Bit 4:bit 1Bit 0:	MODEy[1:0]：端口y的模式位（y=0……7）00：输入模式（复位后的状态）01：输出模式，最大速度10MHz10：输出模式，最大速度2MHz11：输出模式，最大速度50MHz

5.2.3 端口配置高寄存器：GPIOx_CRH（x=A..E）

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
CNF15	MODE15	CNF14	MODE14	CNF13	MODE13	CNF12	MODE12
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
CNF11	MODE11	CNF10	MODE10	CNF9	MODE9	CNF8	MODE8

配置方式和端口配置低寄存器一致。

5.2.4 端口输入数据寄存器：GPIOx_IDR（x=A..E）

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
-
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
D15	D14	D13	D12	D11	D10	D9	D8	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0

Bit 15~Bit 0：端口输入数据（这些位属于只读并只能以字的形式读出）

5.2.5 端口输出数据寄存器：GPIOx_ODR（x=A..E）

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
-
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
D15	D14	D13	D12	D11	D10	D9	D8	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0

Bit 15~Bit 0：端口输出数据（这些位属于只读并只能以字的形式操作）

注：在输入模式下，ODR的数据可以控制端口内部是上拉还是下拉，写入1意味着端口上拉输入。

5.3 GPIO的输入与输出例程

我们现在在PA0端口接一个按键，PA端口接一个LED，当按下按键的时候，LED以100ms亮，100ms灭，抬起按键后LED常亮。

（1）在stm32f103x.h文件中添加GPIO的结构体和地址映射。

（2）在HEADERWARE目录下创建GPIO文件夹，并创建gpio.c和gpio.h两个文件。

（3）在gpio.h文件中输入以下内容：

（4）在gpio.c文件中输入以下内容

（5）将gpio.c文件和gpio.h文件添加进项目

（6）在1.c文件中输入以下内容：

注：实验中，按键一端接GND，LED一端接VCC，所以按键是检测到0代表按下，端口输出低电平代表LED点亮。

5.4 CM3内核的位带操作

Cortex-M3内核中有一个非常有用的功能，叫做位带操作，支持了位带操作以后，可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写。在CM3中，有两个区中实现了位带。其中一个是SRAM区的最低1MB范围，第二个则是片内外设区的最低1MB范围。这两个区中的地址除了可以像普通的RAM一样使用外，它们还都有自己的“位带别名区”，位带别名区把每个比特膨胀成一个32位的字。当你通过位带别名区访问这些字时，就可以达到访问原始比特的目的。下图从另一个侧面演示比特的膨胀对应关系。

欲设置地址0x20000000中的比特2，则使用位带操作的设置过程如下图所示。

30年前其实就已经有位带操作的概念了，自8051单片机开始，到现在的CM3内核，位带操作有什么优越性呢？最容易想到的就是通过GPIO的管脚来单独控制每盏LED的点亮与熄灭。另一方面，也对操作串行接口器件提供了很大的方便（典型如74HC165，CD4094）。位带操作使代码更简洁，这只是位带操作优越性的初等体现，位带操作还有一个重要的好处是在务中，用于实现共享资源在任务间的“互锁”访问。多任务的共享资源必须满足一次只有一个任务访问它——亦即所谓的“原子操作”。

5.5 利用位带操作实现GPIO的输入与输出

现在利用位带操作来实现上一题目中的功能。

（1）在sys.h文件中添加实现位带操作的代码。

（2）修改gpio.h中的代码如下图所示。

（3）修改gpio.c中的代码如下图所示。

（4）修改1.c中的代码如下图所示。

5.6 外部中断的实现

关于STM32F103的中断机制在之前已经详细讲述过，现在利用外部中断来实现上一题目的功能。

（1）修改gpio.c中的代码如下图所示。

（2）添加代码到文件stm32f103.h中。

（3）修改1.c中的代码如下图所示。