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GPIO原理与寄存器

发布时间 2023-04-05 18:16:41作者: wxk1213

GPIO的工作方式

输入

浮空输入模式

输出缓冲器被禁止，施密特触发输入被激活，不接上拉和下拉电阻，出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器。

 

上拉输入模式

输出缓冲器被禁止，施密特触发输入被激活，上拉电阻接通，不接下拉电阻，当I/O引脚无输入信号时，读取到的数据为1，即高电平

 

下拉输入模式

输出缓冲器被禁止，施密特触发输入被激活，上拉电阻不接，下拉电阻接通，当I/O引脚无输入信号时，读取到的数据为0，即低电平

 

有些传感器等元气件，他们的信号输出有效时候会输出一个高电平（或者低电平），无效时候不输出，为开路。此时我们就必须用上拉电阻（或下拉电阻）。

 

模拟输入模式

输出缓冲器被禁止，禁止施密特触发输入，实现了每个模拟I/O引脚上的零消耗。施密特触发输出值被强置为’0’；上拉和下拉电阻被禁止； I/O引脚的信号交由片上外设（比如ADC）处理。

 

 

输出

推挽输出模式

输出缓冲器被激活，施密特触发输入被激活，上拉电阻和下拉电阻被禁止，若通过输出数据寄存器输出1，则P-mos管导通，N-MOS管截止，I/O脚得到高电平；输出0，则相反

输出低电平时0v，输出高电平时3.3v；对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值

 

 

复用推挽输出

 

开漏输出模式

输出缓冲器被激活，施密特触发输入被激活，上拉电阻和下拉电阻被禁止，输出寄存器上的’0’激活N-MOS，端口得到低电平；而输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态(P-MOS从不被激活)。

 

复用开漏输出

 

输出对比

  • 推挽输出：
    可以输出高低电平，连接数字器件，两个MOS管轮流导通，使其负载能力
    和开关速度都比普通方式有很大提高
  • 开漏输出：
    只可以输出低电平，高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电
    极。要得到高电平状态需要上拉电阻才行，适合于做电流型的驱动，其吸收
    电流的能力相对强(一般20ma以内)。
  • 非复用输出方式其输出值由cpu执行指令控制，复用
    输出方式其输出值来自片上外设

 

输出引脚的速度

  • “速度”指输出驱动电路的响应速度，并不是输出信号的速度。芯片内部在
    I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据
    自己的需要选择合适的驱动电路，通过选择速度来选择不同的输出驱动模
    块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。
  • GPIO的引脚速度应与应用相匹配，如果输出信号的频率超过了驱动电路的
    响应速度，就有可能信号失真。（比如：信号频率为10MHz，而你配置了
    2MHz的带宽，则10MHz的方波很可能就变成了正弦波），另一方面，速度
    配置越高，噪声越大，功耗越大。
  • 常用的选择：
    ① USART串口，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就够了，既省
    电也噪声小。
    ② I2C接口，若使用400k波特率，若想把余量留大些，可以选用10M的
    GPIO引脚速度。
    ③ SPI接口，若使用18M或9M波特率，需要选用50M
  • 当GPIO的I/O引脚配置为输入模式时，不需要配置输出速度。

 

 

GPIO寄存器

实现对GPIO端口初始化配置和数据输入输出控制

 

1. 配置寄存器：GPIOx_CRL、GPIOx_CRH
用来选择引脚功能，例如输入或输出


2. 数据寄存器：GPIOx_IDR、GPIOx_ODR
用来保存引脚输入电平或输出电平


4. 位控寄存器：GPIOx_BSRR、GPIOx_BRR
用来控制某引脚为1或0


4. 锁定寄存器：GPIOx_LCKR
用来锁定引脚配置（不允许修改）

 

每个寄存器只能以32位（字）进行访问

不允许16位（半字）或8位（字节）访问

 

每组端口有两个32位配置寄存器


• 配置寄存器低（Low） 字GPIOx_CRL
• 配置寄存器高（High）字GPIOx_CRH
（x是A～G）

配置寄存器低字CRL对应配置  低8位引脚Px0、Px1、……Px7

配置寄存器高字CRH对应配置  高8位引脚Px8、Px9、……Px15

 

两个32位（一个64位）配置寄存器


每4位对应一个引脚（64位对应16个引脚）
• 低2位设置其工作模式（MODE）
• 高2位设置其配置（CNF：Configuration）


共有4种输入功能、4种输出功能

 

 

GPIO的引脚配置功能表

 

GPIO的数据寄存器

 

举例

使GPIOE的第5管脚输出低电平，使GPIOE端口的第11管脚输出高电平
如果使用端口输出数据寄存器GPIOE_ODR，按照“读出—修改—写回”策略，其语句为：


GPIOE_ODR &=~(1uL<<5);
GPIOE_ODR |= (1uL<<11);

 

位输出问题

对输出数据寄存器某位写入时
• 要考虑其他位的状态，不能任意改变


需要首先读出输出数据寄存器的内容
• 修改相应位再写入(读出-修改-写回)


GPIO的输出数据寄存器ODR可以读出
• 用以支持位输出控制

 

GPIO的位控制器

每个端口有两个位控寄存器
• 只能写入、不能读出
• 某位写入1实现I/O引脚复位或置位
• 写入0对I/O引脚无影响（作用）

一个是位置位/复位寄存器BSRR
• 高16位控制引脚为低电平(复位BR：Bit Reset)
• 低16位控制引脚为高电平(置位BS：Bit Set)


一个是位复位寄存器BRR
• 低16位控制引脚为低电平(复位BR：Bit Reset)

 

 

举例

使GPIOE的第5管脚输出高电平：
GPIOE_BSRR＝(1uL<<5);

使GPIOE端口的第11管脚输出低电平：
GPIOE_BSRR = (1uL<<11)<<16;

 

 

GPIO的锁定寄存器

 

端口配置锁定寄存器GPIOx_LCKR(32位)
• 用于冻结配置寄存器对I/O引脚功能的设定


当对端口执行了写入锁定序列后
• 被锁定引脚配置的工作模式不能再改变
• 直到下次复位后才被解锁


锁定功能可以防止程序随意改变GPIO配置

举例

要锁定GPIOE端口的第5脚和第11脚的配置，
则使用以下语句：
GPIOE_LCKR = (1uL<<16) | (1uL<<11) | (1uL<<5); 
GPIOE_LCKR = (1uL<<11) | (1uL<<5); 
GPIOE_LCKR = (1uL<<16) | (1uL<<11) | (1uL<<5); 
GPIOE_LCKR = (1uL<<11) | (1uL<<5); 
v1 = GPIOE_LCKR;

/*这里v1为无符号32位整型*/