STM32單片機GPIO概述及相關寄存器

5.1 STM32 單片機GPIO概述

STM32中每個IO口都有很多個作用，比如這次我們使用的STM32F103ZET6的PA0口，既可以作為IO口使用，還可以作為待機喚醒（WAKEUP），模擬輸入（ADC功能）等。根據數據手冊中列出的每個I/O端口的特定硬件特征，GPIO端口的每個位可以由軟件分別配置成多種模式。

（1）輸入浮空

（2）輸入上拉

（3）輸入下拉

（4）模擬輸入

（5）開漏輸出

（6）推挽式輸出

（7）推挽式復用功能

（8）開漏復用功能

每個I/O端口位可以自由編程，然而I/O端口寄存器必須按32位字被訪問（不允許半字或字節訪問）。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允許對任何GPIO寄存器的讀/更改的獨立訪問；這樣，在讀和更改訪問之間產生IRQ時不會產生異常錯誤。

STM32F103系列的基本IO口結構如下圖所示

從結構圖可以看出來，STM32的GPIO口可以配置好幾個選項，內部上拉下拉電阻的選擇，推挽輸出或者開漏輸出，對于復用功能，有專門的復用輸入支路和輸出支路。STM32F103的端口由10個寄存器控制，但是常用的并不多，時鐘控制寄存器APB2ENR，模式控制寄存器CRH和CRL，輸入寄存器IDR，輸出寄存器ODR。

5.2 相關寄存器

5.2.1 APB2 外設時鐘使能寄存器：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時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 12：SPI1時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 11：定時器1時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 10：ADC2時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 9：ADC1時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 6：GPIOE時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 5：GPIOD時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 4：GPIOC時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 3：GPIOB時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 2：GPIOA時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

Bit 0：輔助時鐘IO時鐘使能（寫1開啟，寫0關閉）

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 31~~Bit 30:bit 27~~Bit 26:bit 23~~Bit 22:bit 19~~Bit 18:bit 15~~Bit 14:bit 11~~Bit 10:bit 7~~Bit 6:bit 3~~Bit 2:	CNFy[1:0]：端口y的配置位（y=0……7）輸入模式下：00：模擬輸入模式01：浮空輸入模式（復位后的狀態）10：上拉/下拉輸入模式11：保留輸出模式下：00：通用推挽輸出模式01：通用開漏輸出模式10：復用功能推挽輸出模式11：復用功能開漏輸出模式
bit 29~~Bit 28:bit 25~~Bit 24:bit 21~~Bit 20:bit 17~~Bit 16:bit 13~~Bit 12:bit 9~~Bit 8:bit 5~~Bit 4:bit 1~~Bit 0:	MODEy[1:0]：端口y的模式位（y=0……7）00：輸入模式（復位后的狀態）01：輸出模式，最大速度10MHz10：輸出模式，最大速度2MHz11：輸出模式，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 端口輸入數據寄存器：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：端口輸入數據（這些位屬于只讀并只能以字的形式讀出）

5.2.5 端口輸出數據寄存器：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：端口輸出數據（這些位屬于只讀并只能以字的形式操作）

注：在輸入模式下，ODR的數據可以控制端口內部是上拉還是下拉，寫入1意味著端口上拉輸入。

5.3 GPIO的輸入與輸出例程

我們現在在PA0端口接一個按鍵，PA端口接一個LED，當按下按鍵的時候，LED以100ms亮，100ms滅，抬起按鍵后LED常亮。

（1）在stm32f103x.h文件中添加GPIO的結構體和地址映射。

（2）在HEADERWARE目錄下創建GPIO文件夾，并創建gpio.c和gpio.h兩個文件。

（3）在gpio.h文件中輸入以下內容：

（4）在gpio.c文件中輸入以下內容

（5）將gpio.c文件和gpio.h文件添加進項目

（6）在1.c文件中輸入以下內容：

注：實驗中，按鍵一端接GND，LED一端接VCC，所以按鍵是檢測到0代表按下，端口輸出低電平代表LED點亮。

5.4 CM3內核的位帶操作

Cortex-M3內核中有一個非常有用的功能，叫做位帶操作，支持了位帶操作以后，可以使用普通的加載/存儲指令來對單一的比特進行讀寫。在CM3中，有兩個區中實現了位帶。其中一個是SRAM區的最低1MB范圍，第二個則是片內外設區的最低1MB范圍。這兩個區中的地址除了可以像普通的RAM一樣使用外，它們還都有自己的“位帶別名區”，位帶別名區把每個比特膨脹成一個32位的字。當你通過位帶別名區訪問這些字時，就可以達到訪問原始比特的目的。下圖從另一個側面演示比特的膨脹對應關系。

欲設置地址0x20000000中的比特2，則使用位帶操作的設置過程如下圖所示。

30年前其實就已經有位帶操作的概念了，自8051單片機開始，到現在的CM3內核，位帶操作有什么優越性呢？最容易想到的就是通過GPIO的管腳來單獨控制每盞LED的點亮與熄滅。另一方面，也對操作串行接口器件提供了很大的方便（典型如74HC165，CD4094）。位帶操作使代碼更簡潔，這只是位帶操作優越性的初等體現，位帶操作還有一個重要的好處是在務中，用于實現共享資源在任務間的“互鎖”訪問。多任務的共享資源必須滿足一次只有一個任務訪問它——亦即所謂的“原子操作”。