什么是GPIO？(详细介绍)

以STM32F4系列的单片机做例子

一.引入 

    单片机最小系统的组成：                   芯片 + 供电电路 + 复位电路 + 时钟（晶振）电路              一个完成的系统的组成               最小系统 + 项目所需要的其他硬件（外设）          芯片：                   整个系统的核心 相当于人类的大脑  会提供引脚与外部电路相连接          引脚（俗称 官方称呼“GPIO”）

二. GPIO 

    GPIO是什么？      General Purpose Input Output 通用功能输出输出      GPIO就是从芯片内部引出来一根功能复用的口线（电线）     功能复用是指：GPIO的引脚可以由CPU配置成不同的功能      比如：输入功能 输出功能 模拟功能 复用功能等等          分析GPIO内部结构图如picture/STM32F4XX_GPIO内部结构.PNG      通过图我们可以得知 每个GPIO可以独立地被配置成不同的功能。      GPIO配置功能如下：      (1)输入功能               CPU可以通过该GPIO的来获取外部电路输入的一个电平状态          输入功能又可以分为几种模式：          a.带上拉的输入（input pull-up）             默认接一个上拉电阻               此时就算IO引脚没有外部输入信号时  CPU也能读到一个高电平              只有在外部电路输入低电平的时候 CPU读取到的才是低电平

        b.带下拉的输入              默认接一个下拉电阻              此时就算IO引脚没有外部输入信号时 CPU也能读到一个低电平             只有在外部电路输入高电平的时候 CPU读取到的才是高电平  

                  c.输入悬空             既不接上拉电阻 也不接下拉电阻               这种情况下 IO引脚的电平状态完全由外部输入所绝对 此时CPU可以通过读取数据的             操作来获取外部电路的工作状态

        d.模拟输入             该引脚被设置为模拟输入的时候 能够获取到模拟信号              通过ADC转换为数字量

         (2)输出功能               CPU可以通过该GPIO口往外部输出一个电平状态（相当于可以控制外部电路工作）         输出功能也可以分为以下两种模式          a.输出推挽 （PP: push-pull）             CPU往外写高电平（1）时，此时引脚输出一个高电平              CPU往外写低电平（0）时，此时引脚输出一个低电平  

                       b.输出开漏  (OD: open drain)             不输出电压              CPU往外写低电平（0）时  此时引脚接VSS(GND)相当于接地             CPU外外写高电平（1）时  此时引脚的电平状态由上下拉电阻决定

    (3)复用功能                   复用功能是指GPIO口用作其他的外设的功能口线          比如：                 I2C USART SPI等等                   每个GPIO口都可以被配置成多达16中复用功能          具体哪个引脚可以被复用成哪种功能 需要看原理图               STM32F4xx共有144个GPIO引脚     分为九组 记为GPIOA , GPIOB ... GPIOI              简写PA PB ... PI           每组有16根引脚 编号从0~15      也就是说：              比如GPIOA这一组就有               GPIOA0                     PA0             GPIOA1                     PA1              GPIOA2                     PA2             ...             GPIOA15                 PA15               而这些GPIO的功能 都有独立的寄存器组（不同的GPIO硬件控制器）来配置他们       也就是说我们如果要使用比如GPIO口的输入功能的话 我们首先需要把对应寄存器组配置好。     那么如果我们要去配置（访问）寄存器的话 就必须知道寄存器的地址            每组GPIO的地址分布如下：     参考：第 192 页的第 7.4.11 节：GPIO 寄存器映射                                   边界地址               外设            总线：          0x4002 2000 - 0x4002 23FF     GPIOI             0x4002 1C00 - 0x4002 1FFF     GPIOH         0x4002 1800 - 0x4002 1BFF     GPIOG                 0x4002 1400 - 0x4002 17FF     GPIOF         0x4002 1000 - 0x4002 13FF     GPIOE            AHB1         0x4002 0C00 - 0x4002 0FFF     GPIOD         0x4002 0800 - 0x4002 0BFF     GPIOC         0x4002 0400 - 0x4002 07FF     GPIOB         0x4002 0000 - 0x4002 03FF     GPIOA               边界地址：指对应的寄存器组的起始地址（基址）和结束地址     外设：     该寄存器组对应的硬件控制器     总线：  该硬件控制器所处的系统时钟总线              请注意：任何一个硬件控制器想要去正常工作 都必须开启（使能）时钟                      而总线 就是给硬件控制器提供时钟的      

那么有哪些寄存器呢？分别有什么用呢？      

三.STM32F4XX GPIO寄存器 

    每个通用 I/O 端口包括      4 个 32 位配置寄存器（GPIOx_MODER、GPIOx_OTYPER、GPIOx_OSPEEDR 和 GPIOx_PUPDR）     2 个 32 位数据寄存器（GPIOx_IDR 和GPIOx_ODR）     1 个 32 位置位/复位寄存器 (GPIOx_BSRR)     1 个 32 位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)      2 个 32 位复用功能选择寄存器（GPIOx_AFRH 和 GPIOx_AFRL）。              (1)GPIOx_MODER :功能模式选择寄存器                  偏移地址：0x00  (寄存器地址 = 基址 + 偏移地址)         比如 ：GPIOA_MODER的地址 0x40020000 + 0x00 = 0x40020000                  该寄存器用来控制GPIOx(x=A,B,C...I)组的16个引脚的模式（4种：输入、输出，模拟，复用）         一个寄存器是32bits 一组GPIOx共有16个引脚         每个GPIO引脚占2bits         2bits正好可以表示4种状态         编号为y(y=0,1...15)的GPIO引脚在寄存器中的比特位为GPIOx_MODER[2y+1,2y]         具体配置如下：              GPIOx_MODER[2y,2y+1]                模式                  00                                输入模式                  01                                输出模式                  10                                复用模式                  11                                模拟模式                   例子： 用c代码将PF9配置称为输出模式                  分析：              GPIOF组寄存器的起始地址（基址）：0x4002 1400               GPIOx_MODER的偏移地址是0x00              so:                 GPIOF_MODER的寄存器地址：0x4002 1400 + 0x00 = 0x4002 1400                              如果要将PF9设置为输出模式 就需要将                  GPIOF_MODER[2*9+1:2*9]                   GPIOF_MODER[19:18] ==> 01                          把地址为0x40021400的寄存器中的bit19置为0 bit18置为1 怎么做到这两点呢？                 通过地址我们就可以将寄存器中的bit置位              在STM32中 用unsigned long来表示地址的值                          unsigned long * p = (unsigned long *)0x4002 1400                          但是一般情况下我们会在地址的前面加上volatile 变成如下：                           volatile unsigned long * p = (volatile unsigned long *)0x4002 1400                          volatile的作用是作为指令关键字 禁止编译器优化 访问的就是实际地址             而不会被编译器优化成别的地址 一般用于多线程的全局变量 中断处理函数访问             的全局变量 状态寄存器。                          那么我们就可以通过指针p将地址0x40021400的寄存器中的bit19置为0 bit18置为1              操作如下：                                       xxxxxxxxxxxx yy xxxxxxxxxxxxxxxxxx                                                                                    &    111111111111 01 111111111111111111            xxxxxxxxxxxx 0y xxxxxxxxxxxxxxxxxx                                       1                     PA0为高电平                 }                      (6)GPIOx_ODR:Output Data Register 端口输出数据寄存器               偏移地址： 0x14         该寄存器保存了该组16个GPIO引脚的输出电平状态          高16bit保留的 低16个bit就是对于编号的引脚的输出电平状态          具体配置如下：                       GPIOx_ODR[y]            编号为y的引脚的输出电平状态                  1                        高电平                  0                        低电平                                                                          (7)GPIOx_BSRR:Bit Set Reset Register 端口置位/复位寄存器                       偏移地址：0x18         置位：set  把bit位置为1          复位：reset 把bit位置为0         该寄存器用来表示GPIOx组的16个GPIO引脚的输出状态          其中：             高16bits为端口复位寄存器              低16bits为端口置位寄存器                  这个寄存器有点特殊  写1有效 写0无效         将GPIOx_BSRR[31:16]置为1 表示将GPIOx15~GPIOx0设置为0          将GPIOx_BSRR[15:0]置为1 表示将GPIOx15~GPIOx0设置为1         实现效果跟GPIOx_ODR一样 用来设置GPIO引脚的输出状态                       (8)GPIOx_LCKR    :锁定寄存器  

    (9)GPIOx_AFRL:复用功能低位寄存器     偏移地址：0x20     (10)GPIOx_AFRH:复用功能高位寄存器    偏移地址：0x24                  GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH这两个寄存器是放在一起使用的                  AFR:Alternate Function Register 复用功能选择寄存器                   因为一个GPIO引脚最多有16个复用功能 那么1个GPIO引脚需要4个bit          所以16个引脚就需要16*4 = 64bits 也就是2个寄存器的空间                   GPIO引脚编号为0-7由GPIOx_AFRL进行配置                        8-15由GPIOx_AFRH进行配置                           具体的值表示哪个复用功能或者引脚有哪些复用功能          需要结合电路原理图和功能手册来看                            四. STM32F4XX GPIO时钟使能 

    根据上述的寄存器 就可以去实现所有基于GPIO能够完成的功能配置了      比如：          点亮led灯         获取key按键的状态（按下/松开）         控制蜂鸣器等等               但是我们在之前就提到过 任何一个硬件控制器想要工作 都必须去实现时钟使能     （GPIO所有分组全部属于AHB1时钟总线）     那么时钟的相关配置 请参考RCC部分（数据手册的第六章）         RCC: Reset Clock Control 复位时钟控制 基址：0x40023800     那么现在我们的目的是使能GPIO分组时钟：          RCC AHB1外设时钟使能寄存器（RCC_AHB1ENR）         偏移地址：0x30          该寄存器的第0位到第8位分别控制GPIOA到GPIOI组时钟的使能：              1        使能对于GPIO分组的时钟              0        禁止对应GPIO分组的时钟                   比如：使能GPIOF组时钟             ==》RCC_AHB1ENR[5] -> 1                     C语言实现：                   volatile unsigned long * p = (volatile unsigned long *)(0x40023800 + 0x30);         unsigned long r = 0;          r = *p;         r |= 1