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通用输入输出 GPIO

大约 4 分钟

通用输入输出 GPIO

外设介绍

电路理论

基本部分

  1. 电源
    • VCC：C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压
    • VDD：D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压;
    • VSS：S=series 表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压
  2. 接地 GUN

端口

电路中的高电平与低电平需要通过与电源或接地的连接体现 电源 => 端口 高电平 端口 => 接地 低电平 其他情况在电路中不允许出现

当端口与电源连接时, 端口视为与接地连接了一个阻止为无穷大的电阻 与接地连接时同

上拉与下拉

上拉电路
  1. 开关断开时, 上拉电阻 R1 与 端口串联, 端口视为一个电压无限的的电阻, 因此上拉电阻分压为 0, 端口为高电平
  2. 开关闭合时, 端口与开关通路并联向接地, 端口电压与通路相同, 由于通路上电阻为零, 并联电路等效电阻即为 0, 即端口被短路, 为低电平
  • 上拉电阻可以在开关闭合时分得电源向接地的电压 (上拉电阻与零电阻的端口并联电路串联)
  • 开关另一侧不能有电阻, 否则开关闭合时, 端口不会短路, 产生未知电平
下拉电阻
  1. 开关断开时, 下拉电阻 R2 与 端口串联, 端口为低电平
  2. 开关闭合时, 端口与下拉电阻并联, 端口电压与下拉电阻相同, 由于电源为通路, 端口与下拉电阻并联部分的电路分得电源电压, 为高电平
  • 下拉电阻可以在开关闭合时分得电源向接地的电压, 使端口也能获得高电平
  • 开关另一侧不能有电阻, 否则开关闭合时, 端口与下拉电阻并联部分不能分得全部电压, 产生未知电平

推挽输出

  1. 输入高电平时, Q3 开启, Q4 关闭, 电源向负载导通
  2. 输入低电平时, Q3 关闭, Q4 开启, 电源接地, 负载被短路 用于快速切换开关时

开漏输出

  1. 输入高电平时, Q5 开启, 电源接地, 负载被短路
  2. 输入低电平时, Q5 关闭, 电源向负载导通, 并经过上拉电阻 可以用于线与功能

线与

线与既仅通过线路的连接实现 and 运算的功能

  1. 左侧两个开漏输入部分均为高电平, 连接端口后, 输出高电平
  2. 右侧上方的开楼漏输入部分为低电平, 下方为高电平, 低电平一侧与接地直接导通, 导致总端口被短路, 为低电平

GPIO 的基本模式

开漏输出

电路原理 OUT_OD 可实现线与功能, 主要用于 I2C 中的总线 在高频的驱动电路中，噪声很高

推挽输出

电路原理 OUT_PP 可以实现快速开启与关闭 常用于输出高/低电平

复用开漏输出

AF_OD 用于 STM32 内部的 I2C 外设

复用推挽输出

AF_PP 用于 STM32 内部的 SPI, USART 等外设

浮空输入

IN_FLOATING 端口直接与输入连接, 此时默认输入电平不确定, 因此输入端最好接地或接 VCC

上拉输入

电路原理 IPU 默认输入高电平, 当输入低电平时变为低电平

下拉输入

电路原理 IPD 默认输入低电平, 当输入高电平时变为高电平

模拟输入

AIN 端口直接与 ADC 模块连接, 且不进行任何转换, 不使用时, 功耗最低

标准库配置

初始化

使用结构体 GPIO_InitStructure 定义初始化信息

struct GPIO_InitStructure
{
    //初始化的引脚
    //使用宏 GPIO_Pin_x 作为参数
    std::uint16_t GPIO_Pin;

    //设置模式
    //f10x GPIO_Mode_In/Out_xxx 设置为输入/输出/复用等
    //f4xx GPIO_Mode_IN/OUT
    enum GPIO_Mode;

    //设置引脚速率
    //使用宏 GPIO_Speed_xxx 作为参数
    enum GPIO_Speed

    //设置引脚上拉/下拉
    //参数 GPIO_PuPd_UP / GPIO_PuPd_DOWN / GPIO_PuPd_NOPULL
    //仅用于 STM32F4XX
    enum GPIO_PuPd

    //设置输出模式
    //有推挽与开漏两种
    enum GPIO_OType
};

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* GPIO_InitStruct) 执行初始化

  1. GPIOx 为初始化端口的寄存器地址 , 可以直接使用 GPIOx 作为参数(已定义的端口宏)
  2. GPIO_InitStruct 为初始化信息结构体的地址

电平控制

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) 设置指定阵脚为高电平 void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) 设置指定阵脚为低电平

读取

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin) 读取指定阵脚的电平

时钟初始化

void RCC_XXXXPeriphClockCmd(uint32_t RCC_XXXXPeriph, FunctionalState NewState) 初始化指定总线与端口的 RCC 时钟, 保证 GPIO 正常工作 查询芯片 GPIO 所在的桥进行初始化

  1. RCC_XXXXPeriph 初始化的RCC, 使用宏 RCC_XXXXPeriph_GPIOx 作为参数
  2. NewState 设置状态, 初始化则使用 ENABLE

HAL 库配置

  1. 设置引脚电平
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);
  1. 读取引脚的电平状态
GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);