【STM32开发】GPIO最全解析及应用实例

目录

【1】GPIO概述

GPIO的基本概念

GPIO的应用

【2】GPIO功能描述

1.IO功能框图

2.知识补充

3.功能详述

浮空输入

上拉输入

下拉输入

模拟输入

推挽输出

开漏输出

复用开漏输出和复用推挽输出

【3】GPIO常用寄存器

相关寄存器介绍

4个32位配置寄存器

2个32位数据寄存器

1个32位 置位/复位寄存器

2个32位 复用功能配置寄存器

常用寄存器详述

GPIO端口模式寄存器（GPIOx_MODER）(x=A...D,F)

GPIO 端口输出类型寄存器 (GPIOx_OTYPER) (x = A..D,F)

GPIO 口输出速度寄存器 (GPIOx_OSPEEDR) (x = A..D,F)

GPIO 口上拉 / 下拉寄存器 (GPIOx_PUPDR) (x = A..D,F)

GPIO 端口输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) (x = A..D,F)

GPIO 端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) (x = A..D,F)

GPIO 端口置位 / 复位寄存器 (GPIOx_BSRR) (x = A..D,F)

【4】GPIO实验：点亮LED灯

实验步骤

1.观察开发板

2.分析原理图

3.分析寄存器

4.编写代码

5.编译下载

6.运行测试

结语

【1】GPIO概述

GPIO的基本概念

GPIO，即通用输入输出接口，是一种在数字电子系统中常见的接口类型。GPIO接口既可以作为输入引脚接收来自外部设备的电信号，也可以作为输出引脚向外部设备发送电信号。其“通用”二字意味着GPIO接口具有高度的灵活性，可以根据需要配置为输入或输出模式，实现与外部设备的通信和控制。

GPIO的应用

GPIO在嵌入式系统中的应用极为广泛，包括但不限于以下几个方面：

1. 设备控制：通过GPIO控制LED灯、数码管、继电器等外部设备的开关状态。
2. 数据采集：读取按键、光照传感器、ADC（模拟数字转换器）等外部设备的输入信号。
3. 通信接口：GPIO可以作为串口（如USART）、I2C、SPI等通信协议的数据收发管脚，实现与外部设备的通信。
4. 复用功能：在某些情况下，GPIO引脚可以被配置为特定外设的接口，如定时器的外部触发输入等。

【2】GPIO功能描述

      查看技术手册的图 第8章通用IO 

1.IO功能框图

2.知识补充

   这里对图中涉及的一些知识点做简要说明，以帮助初学者能够读懂功能框图。

1.模拟信号和数字信号的区别？

模拟信号：连续变化的值，例如读取到的连续的电压值、温度、压力等。

数字信号：离散的数值，通常可以用“0”和“1”两种状态来表示。

2. 施密特触发器的作用

由于外部输入的信号，可能会出现脉冲等噪声的影响，为了让信号更加清晰，所以就设置了TTL施密特触发器来进行整形。

3.VCC、VDD和VSS说明

VCC:接入电路的电压

VDD:器件内部的工作电压，通常VCC>VDD

VSS:电路公共接地端电压

3.功能详述

浮空输入

IO--TTL施密特触发器--输入寄存器--读

通俗讲就是让管脚什么都不接，悬空着。

此时VDD和VSS所在路径的两个开关同时断开。因为没有上拉和下拉，所以当IO口没有接输入的时候，此时的电平状态会是一个不确定的值，完全由外部输入决定。

一般实际运用时，引脚不建议悬空，易受干扰。

优势：

这一种输入模式的电平会完全取决于外部电路而与内部电路无关。

缺点：

在没有外部电路接入的时候，IO脚浮空会使得电平不确定

应用：

该模式是STM32复位之后的默认模式，一般用作对开关按键的读取或用于标准的通讯协议，比如IIC、USART的等。

上拉输入

IO--上拉电阻--TTL施密特触发器--输入寄存器--读

上拉就是把电位拉高。此时如果I/O口断开不接外设，输入端的电平会保持在高电平。

上拉输入就是信号进入芯片后加了一个上拉电阻，再经过施密特触发器转换成0、1信号，读取此时的引脚电平为高电平

上拉：当我们闭合上拉电阻的开关，断开下拉电阻的开关的时候，也就是此时为上拉通路导通。

优势：输入的电平不会因上下浮动而导致输入信号不稳定，在没有信号输入的情况下可以稳定在高电平。

下拉输入

IO--下拉电阻--TTL施密特触发器--输入寄存器--读

下拉就是把电位拉低。与上拉原理相似。

下拉输入就是信号进入芯片后加了一个下拉电阻，再经过施密特触发器转换成0、1信号，读取此时的引脚电平为低电平；

优势：输入的电平不会上下浮动而导致输入信号不稳定，在没有信号输入的情况下可以稳定在低电平。

模拟输入

IO----模拟

信号进入后不经过上拉电阻或者下拉电阻，关闭施密特触发器，经由另一线路把电压信号传送到片上外设模块。所以可以理解为模拟输入的信号是未经处理的信号，是原汁原味的信号。

应用：当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时，则需要选择“模拟输入”功能，因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态，所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。

推挽输出

当上面的MOS管导通时，GPIO输出高电平1，称为“推”，

高低电平值由芯片内部的电源决定。

开漏输出

输出寄存器上的’0’激活 N-MOS，使得输出接地。

输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态 (P-MOS从不被激活)。

所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平。

即:写0输出低电平，写1输出高阻态(High Impedance)

无法真正输出高电平，即高电平时没有驱动能力，需要借助外部上拉电阻完成对外驱动。

可以利用改变上拉电源的电压来适应所需，进而提高外部电路的驱动能力。

复用开漏输出和复用推挽输出

复用推挽和复用开漏其实很简单，如果不想用单片机内部来输出控制，那么可以进行复用，将输出转移到其他外设上面，由外设的信号驱动输出缓冲器。

【3】GPIO常用寄存器

相关寄存器介绍

4个32位配置寄存器

GPIOx_MODER：模式寄存器，用于配置GPIO引脚的工作模式（输入、输出、复用、模拟等）。

GPIOx_OTYPER：输出类型寄存器，用于配置GPIO引脚为输出时的类型（推挽输出或开漏输出）。

GPIOx_OSPEEDR：输出速度寄存器，用于配置GPIO引脚输出信号的速度。

GPIOx_PUPDR：上拉/下拉寄存器，用于配置GPIO引脚的上拉或下拉电阻。

2个32位数据寄存器

GPIOx_IDR：输入数据寄存器，只读，用于读取GPIO引脚当前的输入电平状态。

GPIOx_ODR：输出数据寄存器，用于设置GPIO引脚当前的输出电平状态。

1个32位 置位/复位寄存器

GPIOx_BSRR ：可以直接置位或复位，对其他位没影响

2个32位 复用功能配置寄存器

GPIOx_AFRH 复用功能高位寄存器（8-16）

GPIOx_AFRL 复用功能低位寄存器 (0-7)

常用寄存器详述

GPIO端口模式寄存器（GPIOx_MODER）(x=A...D,F)

偏移地址：0x00

复位值：

0xEBFF FFFF 端口A

0xFFFF FFFF 其他口

GPIO 端口输出类型寄存器 (GPIOx_OTYPER) (x = A..D,F)

偏移地址：0x04

复位值： 0x0000 0000

GPIO 口输出速度寄存器 (GPIOx_OSPEEDR) (x = A..D,F)

偏移地址：0x08

复位值： 0x0000 0000

GPIO 口上拉 / 下拉寄存器 (GPIOx_PUPDR) (x = A..D,F)

偏移地址：0x0C

复位值：

0x2400 0000 端口A

0x0000 0000 其它端口

GPIO 端口输入数据寄存器 (GPIOx_IDR) (x = A..D,F)

偏移地址：0x10

复位值： 0x0000 XXXX (X 表明不定 )

GPIO 端口输出数据寄存器 (GPIOx_ODR) (x = A..D,F)

偏移地址：0x14

复位值： 0x0000 0000

GPIO 端口置位 / 复位寄存器 (GPIOx_BSRR) (x = A..D,F)

偏移地址：0x18

复位值：0x0000 0000

【4】GPIO实验：点亮LED灯

实验步骤

1.观察开发板

查看LED灯的丝印

2.分析原理图

      找到控制LED灯的引脚编号，并通过分析电路，确定输出高/低电平信号来点亮LED。

结语

STM32的GPIO接口功能强大、配置灵活，是嵌入式系统开发中不可或缺的一部分。通过合理配置GPIO引脚的工作模式、输出类型、速度等参数，可以实现与外部设备的有效通信和控制。本文详细介绍了GPIO的概念、应用、功能及相关寄存器，并给出了一个简单的开发示例，希望能为开发者在STM32 GPIO开发过程中提供一些帮助。

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