一、GPIO簡(jiǎn)介

GPIO作為通用輸入輸出端口，其全稱為General Purpose Input Output，能夠通過(guò)軟件自由配置引腳狀態(tài)及工作模式。除通用輸入輸出功能外，部分GPIO端口還可被用作第二功能的配置，即為復(fù)用功能。

每個(gè)通用I/O端口都可以通過(guò)軟件自由配置為4種輸入模式與4種輸出模式。

輸入模式

通過(guò)配置GPIOx_CRL寄存器或GPIOx_CRH寄存器中的MODEx[1:0]為00，即配置為輸入模式，配置寄存器中的CNFx[1:0]選擇工作模式（MM32F0140 的GPIOx中“x”的范圍為A到D）。

圖1. 輸入浮空/上拉輸入/下拉輸入/模擬輸入配置

輸入浮空：

浮空就是輸入引腳即不接高電平也不接低電平，如圖1所示，I/O端口的數(shù)據(jù)在每個(gè)AHB時(shí)鐘被采樣到輸入數(shù)據(jù)寄存器，通過(guò)讀訪問(wèn)輸入數(shù)據(jù)寄存器獲取當(dāng)前I/O狀態(tài)，輸入浮空常用于復(fù)用功能。

上拉輸入：

電阻與VDD相連，形成上拉電阻，I/O端口在空閑時(shí)為高電平，能夠用于檢測(cè)由高到低的電平變化，常用于按鍵檢測(cè)。

下拉輸入：

電阻與VSS相連，形成下拉電阻，I/O端口在空閑時(shí)為低電平，能夠用于檢測(cè)由低到高的電平變化。

模擬輸入：

模擬輸入是模擬信號(hào)的輸入，在模擬輸入模式下，上拉電阻、下拉電阻及斯密特觸發(fā)器均被禁止。

輸出模式

通過(guò)配置GPIOx_CRL寄存器或GPIOx_CRH寄存器中的CNFx[1:0]選擇輸出模式，配置GPIOx_CRL中的MODEx[1:0]選擇輸出速度（MODEx[1:0]不為00）。當(dāng)I/O端口使用復(fù)用輸出功能時(shí)，端口必須配置為復(fù)用功能輸出模式（推挽或開(kāi)漏），輸出配置如圖2所示。

圖2. 輸出配置

開(kāi)漏輸出：

在開(kāi)漏輸出模式中，輸出控制寄存器配置為0時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輸出控制模塊，MOS管的柵極接收到高電平，MOS管導(dǎo)通，此時(shí)I/O端口接通在GND上，即對(duì)應(yīng)引腳輸出低電平；當(dāng)輸出控制寄存器配置為1，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)控制模塊，給予MOS管的柵極一個(gè)低電平，此時(shí)MOS管不導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的管腳處于高阻態(tài)。因此，開(kāi)漏輸出通常輸出低電平，若要輸出高電平則需外加上拉電阻。

推挽輸出：

推挽輸出一般指兩個(gè)MOS管分別受兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)的控制，總是在一個(gè)MOS管導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)MOS管截止。當(dāng)輸出控制寄存器配置為0時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輸出控制模塊，MOS管的柵極接收到高電平，N-MOS管導(dǎo)通，P-MOS管不導(dǎo)通，此時(shí)I/O端口接通在VSS上，即對(duì)應(yīng)引腳輸出為低電平；當(dāng)輸出控制寄存器配置為1時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輸出控制模塊，MOS管的柵極接收到低電平，P-MOS管導(dǎo)通，N-MOS管不導(dǎo)通，此時(shí)I/O端口接通在VDD上，即對(duì)應(yīng)引腳輸出為高電平。因此，推挽輸出可以輸出高低電平。

圖3. 復(fù)用功能配置

復(fù)用開(kāi)漏輸出：

配置GPIOx_AFRH與GPIOx_AFRL寄存器的AFRLx[3:0]與AFRHx[3:0]選擇復(fù)用功能。當(dāng)GPIO被作為第二功能使用時(shí)，模式配置為復(fù)用模式，復(fù)用功能配置如圖3所示。以圖4為例，若要配置PB10引腳作為I2C_SCL，則在配置GPIO模式時(shí)要選擇復(fù)用模式。通過(guò)片上外設(shè)復(fù)用功能，使用MOS管實(shí)現(xiàn)輸出。通常I2C使用GPIO的復(fù)用功能時(shí)會(huì)使用復(fù)用開(kāi)漏輸出模式，由于I2C的一個(gè)主設(shè)備可掛載多個(gè)從設(shè)備，若不使用復(fù)用開(kāi)漏輸出，而使用復(fù)用推挽輸出，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，兩個(gè)從設(shè)備一個(gè)拉高，一個(gè)拉低，可能會(huì)造成短路。因此I2C大多使用GPIO的復(fù)用開(kāi)漏輸出模式。

圖4. MM32F0140部分引腳復(fù)用功能

復(fù)用推挽輸出：

當(dāng)GPIO被作為第二功能配置使用時(shí)，模式需配置為復(fù)用模式，通過(guò)配置GPIO_AFRH與GPIOx_AFRL寄存器的AFRLx[3:0]與AFRHx[3:0]選擇復(fù)用功能，通過(guò)片上外設(shè)復(fù)用功能，使用兩個(gè)MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出。與推挽輸出不同，復(fù)用推挽輸出模式下端口的I/O操作由對(duì)應(yīng)復(fù)用的功能模塊控制，而推挽輸出模式下控制I/O端口需對(duì)GPIO內(nèi)部的寄存器進(jìn)行操作。

二、配置GPIO

首先，使能對(duì)應(yīng)I/O口的時(shí)鐘，根據(jù)所使用的外設(shè)對(duì)RCC的RCC_AHBENR寄存器進(jìn)行賦值，將對(duì)應(yīng)外設(shè)位置1即可使能時(shí)鐘，詳細(xì)外設(shè)如圖5所示。

圖5. MM32F0140 AHB外設(shè)

其次，配置所需的GPIO引腳、速度及工作模式。端口0到端口7使用GPIOx_CRL寄存器配置工作模式與速度，該寄存器中MODEx[1:0]位表示端口輸入輸出速度，CNFx[1:0]位表示端口工作模式（”MODEx”與”CNFx”的”x”表示指定端口號(hào)）。若配置GPIOx_CRL寄存器中的MODEx位等于00則端口為輸入模式，此時(shí)CNFx位有四種配置方式，分別為：00（模擬輸入模式），01（浮空輸入模式），10（上拉/下拉輸入模式）；若MODEx位不為00，則對(duì)應(yīng)端口為輸出模式，此時(shí)CNFx具有四種配置方式：00（推挽輸出模式），01（開(kāi)漏輸出模式），10（推挽復(fù)用模式），11（開(kāi)漏復(fù)用模式）。端口8到端口15的配置使用GPIOx_CRH寄存器配置指定端口的工作模式與速度，詳細(xì)配置方式與CPIOx_CRL寄存器相同。

若使用端口復(fù)用功能，需對(duì)GPIOx_AFRL（端口復(fù)用功能低位）寄存器與GPIOx_AFRH（端口復(fù)用功能高位）寄存器進(jìn)行配置。端口號(hào)為0到7則使用GPIOx_AFRL寄存器，端口號(hào)為8到15則使用GPIOx_AFRH寄存器，根據(jù)端口號(hào)與復(fù)用功能表進(jìn)行配置，例如若使用PA0引腳作為I2C1_SCL，則需將GPIOx_AFRL寄存器中AF3的對(duì)應(yīng)位置1（GPIO的工作模式也要配置為復(fù)用模式），PA端口的復(fù)用功能表如圖6所示。

圖6 MM32F0140 PA端口復(fù)用功能表

三、實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)使用GPIO獲取按鍵狀態(tài)控制LED亮滅，讀取指定GPIO端口引腳的輸入數(shù)據(jù)（讀GPIOx_IDR寄存器）來(lái)獲取當(dāng)前的按鍵狀態(tài)，通過(guò)對(duì)端口設(shè)置/清除寄存器（GPIOx_BSRR寄存器）與端口位清除寄存器（GPIOx_BRR寄存器）的對(duì)應(yīng)端口賦值，使對(duì)應(yīng)的LED亮滅。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為配置PB3引腳對(duì)應(yīng)LED2, PB4引腳對(duì)應(yīng)LED3，PB2引腳對(duì)應(yīng)的K2（如圖7所示），若K2按下，則K2對(duì)應(yīng)的端口輸入低電平，設(shè)置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為L(zhǎng)ED2滅、LED3亮，K2處于非按下時(shí)，K2對(duì)應(yīng)的端口輸入高電平，設(shè)置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為L(zhǎng)ED2亮、LED3滅。

圖7 引腳配置原理圖

外設(shè)時(shí)鐘初始化

GPIO在AHB線上，實(shí)驗(yàn)使用引腳均為GPIOB組的引腳，因此對(duì)RCC_AHBENR寄存器的GPIOB對(duì)應(yīng)位置1。

RCC->AHB1ENR |= (1u << 18u);

按鍵初始化

實(shí)驗(yàn)使用引腳為PB2的K2按鍵，按鍵原理圖如圖8所示，若K2按鍵按下則與GND導(dǎo)通，因此在初始化按鍵時(shí)需配置該端口的工作模式為上拉輸入。

圖8. 按鍵原理圖

GPIOx_CRL寄存器為端口配置低寄存器，用于配置指定端口的速度與工作模式；GPIOx_BSRR寄存器用于設(shè)置/清除對(duì)應(yīng)端口，該寄存器低16位的對(duì)應(yīng)端口位置1會(huì)產(chǎn)生高電平。由圖9所示，K2所使用的端口2為GPIOx_CRL寄存器內(nèi)第8~11位。

圖9.端口配置低寄存器的比特位

//對(duì)應(yīng)端口的配置涉及到4位，后兩位配置端口輸入輸出速度，前兩位配置工作模式；清零端口2的配置位
GPIOB->CRL  = ~(0xf << 8u); 

//速度配置位為0，端口為輸入模式，上拉輸入的工作模式位為10，因此使用0x08.
GPIOB->CRL |= (0x08 << 8u); 

//配置PB2引腳為高電平
GPIOB->BSRR |= (1u << 2u); 

LED初始化

實(shí)驗(yàn)使用PB3、PB4,引腳，為觀察LED的高低電平，在配置工作模式時(shí)使用可以輸出高低電平的推挽輸出。因?yàn)镻B3與PB4對(duì)應(yīng)端口在端口0~7中，所以使用GPIOx_CRL寄存器對(duì)LED進(jìn)行初始化配置（若使用端口為8~15則使用GPIOx_CRH寄存器）。

如圖9所示，端口3為GPIOx_CRL寄存器內(nèi)第12~15位，端口4為GPIOx_CRL寄存器內(nèi)第16~19位。由于LED為低電平點(diǎn)亮，設(shè)置GPIOx_BSRR寄存器中LED2與LED3的對(duì)應(yīng)位置1使LED初始狀態(tài)為滅。

//復(fù)位將要使用的端口3與端口4的配置位
GPIOB->CRL  = ~( (0xf << 12u) | (0xf << 16u) ); 

//端口輸入輸出速度配置位不為00時(shí)，端口為輸出模式，配置最大速度為50MHz，推挽輸出模式的配置為00.
GPIOB->CRL |= ( (0x01 << 12u) | (0x01 << 16u) );

//PB3對(duì)應(yīng)的LED2初始化狀態(tài)為滅
GPIOB->BSRR = (1u << 3u); 

//PB4對(duì)應(yīng)的LED3初始化狀態(tài)為滅
GPIOB->BSRR = (1u << 4u); 

按鍵掃描

讀GPIOx_IDR寄存器獲取對(duì)應(yīng)端口輸入數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)中K2配置為上拉輸入，即按鍵未按下時(shí)為高電平，按下按鍵后，K2對(duì)應(yīng)端口輸入為低電平。若GPIOx_BSRR寄存器的低16位的對(duì)應(yīng)端口位置1，則該端口為高電平；若GPIOx_BRR寄存器的對(duì)應(yīng)端口位置1，則該端口為低電平。實(shí)驗(yàn)設(shè)置按鍵未按下時(shí)，LED2（PB3）亮、LED3（PB4）滅；按下按鍵時(shí)LED2滅、LED3亮。

while(1)
{
    //K2的引腳為PB2,  1u<<2u = 0100u，將PB2的對(duì)應(yīng)位置1，若讀出GPIOx_IDR的對(duì)應(yīng)端口數(shù)據(jù)為高電平則按鍵未按下
    if ( 0u != ( GPIOB->IDR   (1u << 2u) ) ) 
    {
    //PB4引腳對(duì)應(yīng)的LED3滅
        GPIOB->BSRR = (1u << 4u);

        //PB3引腳對(duì)應(yīng)的LED2亮
        GPIOB->BRR = (1u << 3u); 
    }
    else  //K2 按鍵按下
    {
        //PB4引腳對(duì)應(yīng)的LED3亮
        GPIOB->BRR =(1u << 4u);

        //PB3引腳對(duì)應(yīng)的LED2滅
        GPIOB->BSRR = (1u << 3u);
    }
}

Main()函數(shù)

綜合上述寄存器配置到main函數(shù)中，圖10為實(shí)驗(yàn)效果。

int main(void)
{
    //GPIOB時(shí)鐘初始化
    RCC->AHB1ENR |= (1u << 18u);

    //清零端口2的配置位
    GPIOB->CRL  = ~(0xfu << 8u);
    //端口2配置為上拉輸入
    GPIOB->CRL |= (0x08u << 8u);
    //端口2配置為高電平
    GPIOB->BSRR |= (1u << 2u);

    //端口3與端口4配置位清零
    GPIOB->CRL  = ~( (0xf << 12u) | (0xf << 16u) );
    //端口3與端口4配置為推挽輸出，速度最大為50MHz
    GPIOB->CRL |= ( (0x01 << 12u) | (0x01 << 16u) );

    //PB3對(duì)應(yīng)的LED2初始化狀態(tài)為滅
    GPIOB->BSRR = (1u << 3u);
    //PB4對(duì)應(yīng)的LED3初始化狀態(tài)為滅
    GPIOB->BSRR = (1u << 4u);

    while(1)
    {
        //K2的引腳為PB2,  1u << 2u = 0100u，將PB2的對(duì)應(yīng)位置1，若讀出GPIOx_IDR的對(duì)應(yīng)端口數(shù)據(jù)為高電平則按鍵未按下
        if ( 0u != ( GPIOB->IDR   (1u << 2u) ) ) 
        {
            // PB4引腳對(duì)應(yīng)的LED3滅
            GPIOB->BSRR = (1u << 4u);

            //PB3引腳對(duì)應(yīng)的LED2亮
            GPIOB->BRR = (1u << 3u); 
        }
        else  //按下按鍵K2
        {
            // PB4引腳對(duì)應(yīng)的LED3亮
            GPIOB->BRR = (1u << 4u);

            // PB3引腳對(duì)應(yīng)的LED2滅
            GPIOB->BSRR = (1u << 3u); 
        }
    }
}

圖9.實(shí)驗(yàn)效果

來(lái)源：靈動(dòng)MM32MCU