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GD32F130FXP6學習筆記三:ARM的GPIO初識

最近在看資料手冊的時候,發現在Cortex-M3裡,對於GPIO的配置種類有8種之多:

(1)GPIO_Mode_AIN 模擬輸入 

(2)GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入

(3)GPIO_Mode_IPD 下拉輸入

(4)GPIO_Mode_IPU 上拉輸入

(5)GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出

(6)GPIO_Mode_Out_PP 推輓輸出

(7)GPIO_Mode_AF_OD 複用開漏輸出

(8)GPIO_Mode_AF_PP 複用推輓輸出

對於剛入門的新手,我想這幾個概念是必須得搞清楚的,平時接觸的最多的也就是推輓輸出、開漏輸出、上拉輸入這三種,但一直未曾對這些做過歸納。因此,在這裡做一個總結:

推輓輸出:可以輸出高,低電平,連線數字器件; 推輓結構一般是指兩個三極體分別受兩互補訊號的控制,總是在一個三極體導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源低定。

推輓電路是兩個引數相同的三極體或MOSFET,以推輓方式存在於電路中,各負責正負半周的波形放大任務,電路工作時,兩隻對稱的功率開關管每次只有一個導通,所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流,也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力,又提高開關速度。

詳細理解:

如圖所示,推輓放大器的輸出級有兩個“臂”(兩組放大元件),一個“臂”的電流增加時,另一個“臂”的電流則減小,二者的狀態輪流轉換。對負載而言,好像是一個“臂”在推,一個“臂”在拉,共同完成電流輸出任務。當輸出高電平時,也就是下級負載門輸入高電平時,輸出端的電流將是下級門從本級電源經VT3拉出。這樣一來,輸出高低電平時,VT3 一路和 VT5 一路將交替工作,從而減低了功耗,提高了每個管的承受能力。又由於不論走哪一路,管子導通電阻都很小,使RC常數很小,轉變速度很快。因此,推拉式輸出級既提高電路的負載能力,又提高開關速度。

開漏輸出:輸出端相當於三極體的集電極. 要得到高電平狀態需要上拉電阻才行. 適合於做電流型的驅動,其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內).

開漏形式的電路有以下幾個特點:

1.利用外部電路的驅動能力,減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時,驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ,MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流。

2.一般來說,開漏是用來連線不同電平的器件,匹配電平用的,因為開漏引腳不連線外部的上拉電阻時,只能輸出低電平,如果需要同時具備輸出高電平的功能,則需要接上拉電阻,很好的一個優點是通過改變上拉電源的電壓,便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。(上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻值越大,速度越低功耗越小,所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。)

3.OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式,但是也有其弱點,就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電,所以當電阻選擇小時延時就小,但功耗大;反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求,則建議用下降沿輸出。

4.可以將多個開漏輸出的Pin,連線到一條線上。通過一隻上拉電阻,在不增加任何器件的情況下,形成“與邏輯”關係。這也是I2C,SMBus等匯流排判斷匯流排佔用狀態的原理。補充:什麼是“線與”?:

在一個結點(線)上,連線一個上拉電阻到電源VCC或VDD和n個NPN或NMOS電晶體的集電極C或漏極D,這些電晶體的發射極E或源極S都接到地線上,只要有一個電晶體飽和,這個結點(線)就被拉到地線電平上.因為這些電晶體的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),電晶體就會飽和,所以這些基極或柵極對這個結點(線)的關係是或非NOR邏輯.如果這個結點後面加一個反相器,就是或OR邏輯.

其實可以簡單的理解為:在所有引腳連在一起時,外接一上拉電阻,如果有一個引腳輸出為邏輯0,相當於接地,與之並聯的迴路“相當於被一根導線短路”,所以外電路邏輯電平便為0,只有都為高電平時,與的結果才為邏輯1。

關於推輓輸出和開漏輸出,最後用一幅最簡單的圖形來概括:

該圖中左邊的便是推輓輸出模式,其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極體截止,而上面NPN三極體導通,輸出電平VS+;當比較器輸出低電平時則恰恰相反,PNP三極體導通,輸出和地相連,為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式,需要接上拉。

浮空輸入:對於浮空輸入,一直沒找到很權威的解釋,只好從以下圖中去理解了

由於浮空輸入一般多用於外部按鍵輸入,結合圖上的輸入部分電路,我理解為浮空輸入狀態下,IO的電平狀態是不確定的,完全由外部輸入決定,如果在該引腳懸空的情況下,讀取該埠的電平是不確定的。

上拉輸入/下拉輸入/模擬輸入:這幾個概念很好理解,從字面便能輕易讀懂。

複用開漏輸出、複用推輓輸出:可以理解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況(即並非作為通用IO口使用)

最後總結下使用情況:

在STM32中選用IO模式

(1) 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入,可以做KEY識別,RX1

(2)帶上拉輸入_IPU——IO內部上拉電阻輸入

(3)帶下拉輸入_IPD—— IO內部下拉電阻輸入

(4) 模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入,或者低功耗下省電

(5)開漏輸出_OUT_OD ——IO輸出0接GND,IO輸出1,懸空,需要外接上拉電阻,才能實現輸出高電平。當輸出為1時,IO口的狀態由上拉電阻拉高電平,但由於是開漏輸出模式,這樣IO口也就可以由外部電路改變為低電平或不變。可以讀IO輸入電平變化,實現C51的IO雙向功能

(6)推輓輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND, IO輸出1 -接VCC,讀輸入值是未知的

(7)複用功能的推輓輸出_AF_PP ——片內外設功能(I2C的SCL,SDA)

(8)複用功能的開漏輸出_AF_OD——片內外設功能(TX1,MOSI,MISO.SCK.SS)

STM32設定例項:

(1)模擬I2C使用開漏輸出_OUT_OD,接上拉電阻,能夠正確輸出0和1;讀值時先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);拉高,然後可以讀IO的值;使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0);

(2)如果是無上拉電阻,IO預設是高電平;需要讀取IO的值,可以使用帶上拉輸入_IPU和浮空輸入_IN_FLOATING和開漏輸出_OUT_OD;

通常有5種方式使用某個引腳功能,它們的配置方式如下:

1)作為普通GPIO輸入:根據需要配置該引腳為浮空輸入、帶弱上拉輸入或帶弱下拉輸入,同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模組。

2)作為普通GPIO輸出:根據需要配置該引腳為推輓輸出或開漏輸出,同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模組。

3)作為普通模擬輸入:配置該引腳為模擬輸入模式,同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模組。

4)作為內建外設的輸入:根據需要配置該引腳為浮空輸入、帶弱上拉輸入或帶弱下拉輸入,同時使能該引腳對應的某個複用功能模組。

5)作為內建外設的輸出:根據需要配置該引腳為複用推輓輸出或複用開漏輸出,同時使能該引腳對應的所有複用功能模組。

注意如果有多個複用功能模組對應同一個引腳,只能使能其中之一,其它模組保持非使能狀態。

比如要使用STM32F103VBT6的47、48腳的USART3功能,則需要配置47腳為複用推輓輸出或複用開漏輸出,配置48腳為某種輸入模式,同時使能USART3並保持I2C2的非使能狀態。

如果要使用STM32F103VBT6的47腳作為TIM2_CH3,則需要對TIM2進行重對映,然後再按複用功能的方式配置對應引腳。

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一、GPIO模式配置

1、輸入/輸出模式(參考stm32手冊)

2、GPIO輸出模式下,幾種速度的區別:

(1). GPIO 引腳速度: GPIO_Speed_2MHz (10MHz, 50MHz) ;

又稱輸出驅動電路的響應速度:(晶片內部在I/O口的輸出部分安排了多個響應速度不同的輸出驅動電路,使用者可以根據自己的需要選擇合適的驅動電路,通過選擇速度來選擇不同的輸出驅動模組,達到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。)

可理解為: 輸出驅動電路的頻寬:即一個驅動電路可以不失真地通過訊號的最大頻率。

(如果一個訊號的頻率超過了驅動電路的響應速度,就有可能訊號失真。失真因素?)

如果訊號頻率為10MHz,而你配置了2MHz的頻寬,則10MHz的方波很可能就變成了正弦波。就好比是公路的設計時速,汽車速度低於設計時速時,可以平穩地執行,如果超過設計時速就會顛簸,甚至翻車。

關鍵是: GPIO的引腳速度跟應用相匹配,速度配置越高,噪聲越大,功耗越大。

頻寬速度高的驅動器耗電大、噪聲也大,頻寬低的驅動器耗電小、噪聲也小。使用合適的驅動器可以降低功耗和噪聲

比如:高頻的驅動電路,噪聲也高,當不需要高的輸出頻率時,請選用低頻驅動電路,這樣非常有利於提高系統的EMI效能。當然如果要輸出較高頻率的訊號,但卻選用了較低頻率的驅動模組,很可能會得到失真的輸出訊號。關鍵是GPIO的引腳速度跟應用匹配(推薦10倍以上?)。

比如:

① USART串列埠,若最大波特率只需115.2k,那用2M的速度就夠了,既省電也噪聲小。

② I2C介面,若使用400k波特率,若想把餘量留大些,可以選用10M的GPIO引腳速度。

③ SPI介面,若使用18M或9M波特率,需要選用50M的GPIO的引腳速度。

(2). GPIO的翻轉速度指:輸入/輸出暫存器的0 ,1 值反映到外部引腳(APB2上)高低電平的速度.手冊上指出GPIO最大翻轉速度可達18MHz。

@通過簡單的程式測試,用示波器觀察到的翻轉時間: 是綜合的時間,包括取指令的時間、指令執行的時間、指令執行後訊號傳遞到暫存器的時間(這其中可能經過很多環節,比如AHB、APB、匯流排仲裁等),最後才是訊號從暫存器傳輸到引腳所經歷的時間。 

如:有上拉電阻,其阻值越大,RC延時越大,即邏輯電平轉換的速度越慢,功耗越大。

(3).GPIO 輸出速度:與程式有關,(程式中寫的多久輸出一個訊號)。

2、GPIO口設為輸入時,輸出驅動電路與埠是斷開,所以輸出速度配置無意義。

3、在復位期間和剛復位後,複用功能未開啟,I/O埠被配置成浮空輸入模式。

4、所有埠都有外部中斷能力。為了使用外部中斷線,埠必須配置成輸入模式。

5、GPIO口的配置具有上鎖功能,當配置好GPIO口後,可以通過程式鎖住配置組合,直到下次晶片復位才能解鎖。

一般應用:

模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入,或者低功耗下省電。

浮空輸入_IN_FLOATING ——可以做KEY識別,RX1

開漏輸出_Out_OD——應用於I2C匯流排; (STM32開漏輸出若外部不接上拉電阻只能輸出0)

二. 管腳的複用功能 重對映

1、複用功能:內建外設是與I/O口共用引出管腳(不同的功能對應同一管腳)

STM32 所有內建外設的外部引腳都是與標準GPIO引腳複用的,如果有多個複用功能模組對應同一個引腳,只能使能其中之一,其它模組保持非使能狀態。

2、重對映功能:複用功能的引出腳可以通過重對映,從不同的I/O管腳引出,即複用功 能的引出腳位是可通過程式改變到其他的引腳上!

直接好處:PCB電路板的設計人員可以在需要的情況下,不必把某些訊號在板上繞一大圈完成聯接,方便了PCB的設計同時潛在地減少了訊號的交叉干擾。

如:USART1: 0: 沒有重映像(TX/PA9,RX/PA10); 1: 重映像(TX/PB6,RX/PB7)。

(參考AFIO_MAPR暫存器介紹)[0,1為一暫存器的bit值]

【注】 下述複用功能的引出腳具有重對映功能:

- 晶體振盪器的引腳在不接晶體時,可以作為普通I/O口

- CAN模組; - JTAG除錯介面;- 大部分定時器的引出介面; - 大部分USART引出介面

- I2C1的引出介面; - SPI1的引出介面;

舉例:對於STM32F103VBT6,47引腳為PB10,它的複用功能是I2C2_SCL和 USART3_TX,表示在上電之後它的預設功能為PB10,而I2C2的SCL和USART3的TX為它的複用功能;另外在TIM2的引腳重對映後,TIM2_CH3也成為這個引腳的複用功能。

(1)要使用STM32F103VBT6的47、48腳的USART3功能,則需要配置47腳為複用推輓輸出或複用開漏輸出,配置48腳為某種輸入模式,同時使能USART3並保持I2C2的非使能狀態。

(2)使用STM32F103VBT6的47腳作為TIM2_CH3,則需要對TIM2進行重對映,然後再按複用功能的方式配置對應引腳. 

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輸入輸出快速切換

#define HD7279_DAT_OUT GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000003<<20 //推輓輸出

#define HD7279_DAT_IN GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000004<<20 //浮空輸入

=========================================華麗的分割線==========================================

看來下GD提供的驅動庫,裡面的GPIO操作都是函式:

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitPara* GPIO_InitParaStruct)
{
    uint32_t pin = 0x00;


    for (pin = 0x00; pin < 0x10; pin++)
    {
        if(((GPIO_InitParaStruct->GPIO_Pin) & (((uint32_t)0x01) << pin))!=0)
        {
            if ((GPIO_InitParaStruct->GPIO_Mode == GPIO_MODE_OUT) || (GPIO_InitParaStruct->GPIO_Mode == GPIO_MODE_AF))
            {
                /* Speed configuration */
                GPIOx->OSPD &= ~(GPIO_OSPD_OSPD0 << (pin * 2));
                GPIOx->OSPD |= ((uint32_t)(GPIO_InitParaStruct->GPIO_Speed) << (pin * 2));


                /* Output type configuration */
                GPIOx->OMODE &= ~((GPIO_OMODE_OM0) << ((uint16_t)pin));
                GPIOx->OMODE |= (uint16_t)(((uint16_t)GPIO_InitParaStruct->GPIO_OType) << ((uint16_t)pin));
            }


            /* Pull-up Pull-down configuration */
            GPIOx->PUPD &= ~(GPIO_PUPD_PUPD0 << ((uint16_t)pin * 2));
            GPIOx->PUPD |= (((uint32_t)GPIO_InitParaStruct->GPIO_PuPd) << (pin * 2));
            
            /* GPIO mode configuration */
            GPIOx->CTLR  &= ~(GPIO_CTLR_CTLR0 << (pin * 2));
            GPIOx->CTLR |= (((uint32_t)GPIO_InitParaStruct->GPIO_Mode) << (pin * 2));
        }
    }
}

uint8_t GPIO_ReadOutputBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
    if ((GPIOx->DOR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)
    {
        return (uint8_t)Bit_SET;
    }
    else
    {
        return (uint8_t)Bit_RESET;
    }
}

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
    GPIOx->BOR = GPIO_Pin;
}

類似這些函式,如果僅僅是讀取一個IO值,都要去入棧和出棧,顯然有些多餘,於是我進行了如下改造:

/* 巨集定義-------------------------------------------------------------------*/
#defineNOP()                                    __asm("NOP")


#define USER_GPIO_SETBITS_OUT(GPIOx,GPIO_Pin)           do{                                                                \
                                                            GPIOx->CTLR  &= ~(GPIO_CTLR_CTLR0 << (GPIO_Pin));            \
                                                            GPIOx->CTLR  |= (((uint32_t)GPIO_MODE_OUT) << (GPIO_Pin));\
                                                        }while(0)


#define USER_GPIO_SETBITS_IN(GPIOx,GPIO_Pin)            do{                                                            \
                                                            GPIOx->CTLR  &= ~(GPIO_CTLR_CTLR0 << (GPIO_Pin));         \
                                                            GPIOx->CTLR  |= (((uint32_t)GPIO_MODE_IN) << (GPIO_Pin)); \
                                                        }while(0)


#define USER_GPIO_READ_INPUTBIT(GPIOx,GPIO_Pin)              ((GPIOx->DIR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)
#define USER_GPIO_READ_OUTPUTBIT(GPIOx,GPIO_Pin)          ((GPIOx->DOR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)
#define USER_GPIO_SETBITS(GPIOx,GPIO_Pin)               (GPIOx->BOR = GPIO_Pin)
#define USER_GPIO_RESETBITS(GPIOx,GPIO_Pin)             (GPIOx->BCR = GPIO_Pin)

這樣用起來就清爽了許多。

但是我還是不習慣,因為輸出是這樣的:

#define USER_GPIO_OUT(GPIOx,GPIO_Pin,__VALUE)           do{                                                             \
                                                            if(__VALUE){                                                \
                                                                USER_GPIO_SETBITS(GPIOx,GPIO_Pin);                      \
                                                            }else{                                                      \
                                                                USER_GPIO_RESETBITS(GPIOx,GPIO_Pin);                    \
                                                            }                                                           \
                                                        }while(0)

於是我進行了如下改造,首先定義一個匿名結構體:
struct	Uint16_bit
{
	uint16_t    bit0:1;
	uint16_t    bit1:1;
	uint16_t    bit2:1;
	uint16_t    bit3:1;
	uint16_t    bit4:1;
	uint16_t    bit5:1;
	uint16_t    bit6:1;
	uint16_t    bit7:1;
	uint16_t    bit8:1;
	uint16_t    bit9:1;
	uint16_t    bit10:1;
	uint16_t    bit11:1;
	uint16_t    bit12:1;
	uint16_t    bit13:1;
	uint16_t    bit14:1;
	uint16_t    bit15:1;
};


#if defined(__CC_ARM)
    union	Commonwealth_16
    {    
        struct
        {
            uint16_t    bit0:1;
            uint16_t    bit1:1;
            uint16_t    bit2:1;
            uint16_t    bit3:1;
            uint16_t    bit4:1;
            uint16_t    bit5:1;
            uint16_t    bit6:1;
            uint16_t    bit7:1;
            uint16_t    bit8:1;
            uint16_t    bit9:1;
            uint16_t    bit10:1;
            uint16_t    bit11:1;
            uint16_t    bit12:1;
            uint16_t    bit13:1;
            uint16_t    bit14:1;
            uint16_t    bit15:1;
        };
        struct	Uint16_bit    tData_Uint16_bit;
        uint16_t              hwAll;
    };
#else
    union	Commonwealth_16
    {    
        struct	Uint16_bit    tData_Uint16_bit;
        uint16_t              hwAll;
    };
#endif

然後定義變數:
/************************************  IO定義區  ********************************/
#define GPIOA_OUT_PUT_ADDR          (GPIOA_BASE+0x14)
#pragma anon_unions
__IO    union	Commonwealth_16     tGPIOAOutPutBits       __attribute__((at(GPIOA_OUT_PUT_ADDR)));

#define GPIOA_IN_PUT_ADDR           (GPIOA_BASE+0x10)
#pragma anon_unions
__IO    union	Commonwealth_16     tGPIOAInPutBits        __attribute__((at(GPIOA_IN_PUT_ADDR)));


#define GPIOB_OUT_PUT_ADDR          (GPIOB_BASE+0x14)
#pragma anon_unions
__IO    union	Commonwealth_16     tGPIOBOutPutBits       __attribute__((at(GPIOB_OUT_PUT_ADDR)));

#define GPIOB_IN_PUT_ADDR           (GPIOB_BASE+0x10)
#pragma anon_unions
__IO    union	Commonwealth_16     tGPIOBInPutBits        __attribute__((at(GPIOB_IN_PUT_ADDR)));

在系統標頭檔案裡宣告下:
/*****************GPIO**************/
extern  __IO    union	Commonwealth_16     tGPIOAOutPutBits;
extern  __IO    union	Commonwealth_16     tGPIOAInPutBits;
extern  __IO    union	Commonwealth_16     tGPIOBOutPutBits;
extern  __IO    union	Commonwealth_16     tGPIOBInPutBits;

IO口配置好後,在自己的程式直接引用即可:

tGPIOAOutPutBits.bit7   =   0;

=========================================華麗的分割線==========================================

補充一點預編譯只是:

__CC_ARM:MDK預定於巨集

__ICCARM__:IAR for RAM 預定義巨集

__GNUC__:GNU編譯器預定於巨集

#pragma anon_unions//預編譯命令,支援匿名結構體和聯合體

__attribute__((at(整數)))//定義變數絕對地址,必須是立即數整數