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1. GPIO简介
GPIOGeneral Purpose Input/Output是用于在微控制器中与外部世界通信的接口。通过GPIO微控制器可以控制外部设备如LED、LCD、按键等的状态也可以接收外部设备的状态如传感器数据
2. GPIO配置寄存器
GPIO配置寄存器用于配置和控制GPIO引脚的行为。主要的GPIO寄存器包括 GPIO配置寄存器GPIOx_CR用于配置引脚的模式、速度、上拉/下拉等。GPIO有如下几种需要配置的属性 模式Mode 每个引脚可以配置为输入、输出或复用模式。通常使用两个位来表示一个引脚的模式例如MODE0和MODE1位表示一个引脚的模式。可以根据引脚数量的不同有不同数量的MODE位。 速度Speed 速度字段用于配置引脚的输出速度。通常有两个位来表示一个引脚的输出速度例如SPEED0和SPEED1位。速度可以分为低速、中速、高速和非速度控制。 IO引脚的速度设置用于控制引脚的输出信号变化速率其主要目的是优化系统性能和电气特性。具体来说速度设置可以影响到引脚输出信号的上升时间和下降时间从而影响到信号的稳定性、功耗和电磁兼容性等方面。 以下是速度设置的一些常见用途 信号带宽和响应速度 高速输出可以使得信号在引脚之间传输更快从而提高系统的响应速度和通信带宽。特别是在高频率通信或者快速数据传输的应用中选择较高的速度设置可以确保信号传输的及时性和准确性。 时序要求和稳定性 在一些时序要求严格的应用中如时钟信号、同步信号等选择适当的速度设置可以确保引脚输出信号的上升时间和下降时间满足时序要求从而保证系统的稳定性和可靠性。 功耗优化 在一些功耗敏感的应用中选择适当的速度设置可以降低引脚的功耗。通常来说较低的速度设置会使得引脚输出信号的切换速度降低从而降低功耗并减少电流消耗。 电磁兼容性EMC 选择适当的速度设置可以减少引脚输出信号的边沿过渡速率从而降低系统的辐射噪声和电磁干扰EMI水平有助于提高系统的电磁兼容性。 上拉/下拉Pull-up/Pull-down 上拉和下拉功能允许在引脚处于输入模式时通过内部上拉或下拉电阻将引脚拉高或拉低。通常有两个位来表示一个引脚的上拉/下拉配置例如PUPD0和PUPD1位。可以选择上拉、下拉、或者不使能上拉/下拉。 复用Alternate Function 引脚可以配置为多种不同的功能如串口通信、SPI通信等。每个引脚通常有一个或多个复用功能需要选择对应的复用功能编号。 输出类型Output Type 输出类型字段用于配置引脚的输出类型可以选择推挽输出或开漏输出。通常有一个位来表示一个引脚的输出类型例如OT位。可以选择推挽输出或开漏输出。 二种输出的区别 推挽输出Push-Pull Output 在推挽输出模式下引脚可以提供两种状态高电平逻辑1和低电平逻辑0。当输出为高电平时引脚会被连接到电源例如VCC从而输出高电平信号当输出为低电平时引脚会被连接到地例如GND从而输出低电平信号。推挽输出具有较低的输出阻抗可以提供较强的驱动能力适用于驱动各种负载如LED、电机、传感器等。推挽输出适用于多种应用场景常用于数字电路中。 开漏输出Open-Drain Output 在开漏输出模式下引脚只能提供两种状态之一低电平或者高阻态开漏。 当输出为低电平时引脚被连接到地例如GND输出低电平信号当输出为高阻态时引脚处于高阻态不提供电平信号。为了产生高电平信号需要外部上拉电阻将引脚连接到电源例如VCC。这样当引脚处于高阻态时上拉电阻可以确保引脚上的电压为高电平。开漏输出具有较高的输出阻抗驱动能力较弱主要用于与其他器件进行电平匹配或者构建开漏总线如I2C总线等场景 应用场景 推挽输出的实际应用 LED控制LED灯通常通过推挽输出来控制。当输出为高电平时LED亮起当输出为低电平时LED熄灭。 电机驱动在电机驱动电路中推挽输出用于控制电机的正转和反转。通过控制两个推挽输出引脚的状态可以控制电机的运动方向。 数字信号输出在数字信号输出场景中推挽输出用于产生数字信号如驱动蜂鸣器发出蜂鸣声、控制继电器等。 LCD控制在液晶显示器LCD控制电路中推挽输出用于控制LCD的各个像素点实现图像显示。 开漏输出的实际应用 I2C总线在I2C总线通信中开漏输出用于构建总线的时钟线SCL和数据线SDA。多个设备可以共享同一条总线通过开漏输出实现多主机通信。 GPIO级联在多个GPIO设备之间进行级联连接时开漏输出可以实现电平匹配。例如在多个微控制器之间进行通信时一个设备的开漏输出连接到另一个设备的输入引脚。 模拟开关控制在一些模拟电路中开漏输出可以用作模拟开关控制。例如在电源管理电路中开漏输出可以用于控制电池充电和放电。 多路选择器MUX控制在多路选择器电路中开漏输出可以用于控制选择器的通道。通过开漏输出可以实现多个输入信号的选择和切换。
实际STM32应用中可以配置8种模式 输入数据寄存器GPIOx_IDR用于读取输入引脚的状态。输出数据寄存器GPIOx_ODR用于设置输出引脚的状态。
在stm32f10x_gpio.h中GPIO的模式配置的枚举类型是GPIOMode_TypeDef具体的枚举值包括
typedef enum
{GPIO_Mode_AIN 0x0, // 模拟输入模式GPIO_Mode_IN_FLOATING 0x04, // 浮空输入模式GPIO_Mode_IPD 0x28, // 下拉输入模式GPIO_Mode_IPU 0x48, // 上拉输入模式GPIO_Mode_Out_OD 0x14, // 开漏输出模式GPIO_Mode_Out_PP 0x10, // 推挽输出模式GPIO_Mode_AF_OD 0x1C, // 复用开漏输出模式GPIO_Mode_AF_PP 0x18 // 复用推挽输出模式
}GPIOMode_TypeDef;这些枚举值表示了STM32F10x系列微控制器支持的8种GPIO模式配置具体含义如下 GPIO_Mode_AIN模拟输入模式用于连接模拟信号输入。 GPIO_Mode_IN_FLOATING浮空输入模式用于连接外部数字信号输入不使用上拉或下拉电阻。 GPIO_Mode_IPD下拉输入模式引脚上使用内部下拉电阻。 GPIO_Mode_IPU上拉输入模式引脚上使用内部上拉电阻。 GPIO_Mode_Out_OD开漏输出模式输出开漏状态通常需要外部上拉电阻。 GPIO_Mode_Out_PP推挽输出模式输出可通过输出寄存器直接控制高低电平。 GPIO_Mode_AF_OD复用开漏输出模式用于复用功能输出开漏状态。 GPIO_Mode_AF_PP复用推挽输出模式用于复用功能输出可通过输出寄存器直接控制高低电平。
