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多语种网站开发,什么是营销型网站,wordpress pre插件,jquery 网站根目录GPIO 简介 GPIO 是通用输入输出端口的简称#xff0c;简单来说就是 STM32 可控制的引脚#xff0c;STM32 芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接起来#xff0c;从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32 芯片的 GPIO被分成很多组#xff0c;每组有 16 个引脚#xf…GPIO 简介 GPIO 是通用输入输出端口的简称简单来说就是 STM32 可控制的引脚STM32 芯片的 GPIO 引脚与外部设备连接起来从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32 芯片的 GPIO被分成很多组每组有 16 个引脚如型号为 STM32F103ZET6 型号的芯片有 GPIOA、GPIOB、GPIOC 至 GPIOG 共 7 组 GPIO芯片一共 144 个引脚其中 GPIO 就占了一大部分所有的 GPIO引脚都有基本的输入输出功能。 最基本的输出功能是由 STM32 控制引脚输出高、低电平实现开关控制如把 GPIO 引脚接入到 LED 灯那就可以控制 LED 灯的亮灭引脚接入到继电器或三极管那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。 最基本的输入功能是检测外部输入电平如把 GPIO 引脚连接到按键通过电平高低区分按键是否被按下。 GPIO 框图剖析 通过 GPIO 硬件结构框图就可以从整体上深入了解 GPIO 外设及它的各种应用模式。该图从最右端看起最右端就是代表 STM32 芯片引出的 GPIO 引脚其余部件都位于芯片内部。 基本结构分析 下面我们按照图中1到7的顺序分析电路。 保护二极管及上、下拉电阻 引脚的两个保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入当引脚电压高于 VDD时上方的二极管导通当引脚电压低于 VSS时下方的二极管导通防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。尽管有这样的保护并不意味着 STM32 的引脚能直接外接大功率驱动器件如直接驱动电机强制驱动要么电机不转要么导致芯片烧坏必须要加大功率及隔离电路驱动。 P-MOS 管和 N-MOS 管 GPIO 引脚线路经过两个保护二极管后向上流向“输入模式”结构向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分线路经过一个由 P-MOS 和 N-MOS 管组成的单元电路。这个结构使 GPIO 具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。 所谓的推挽输出模式是根据这两个 MOS 管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时经过反向后上方的 P-MOS 导通下方的 N-MOS 关闭对外输出高电平而在该结构中输入低电平时经过反向后N-MOS 管导通P-MOS 关闭对外输出低电平。当引脚高低电平切换时两个管子轮流导通P 管负责灌电流N 管负责拉电流使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高。推挽输出的低电平为 0 伏高电平为 3.3 伏具体参考下图 它是推挽输出模式时的等效电路。
而在开漏输出模式时上方的 P-MOS 管完全不工作。如果我们控制输出为 0低电平则 P-MOS管关闭N-MOS 管导通使输出接地若控制输出为 1 (它无法直接输出高电平) 时则 P-MOS管和 N-MOS 管都关闭所以引脚既不输出高电平也不输出低电平为高阻态。为正常使用时必须外部接上拉电阻参考图下图中等效电路。它具有“线与”特性也就是说若有很多个开漏模式引脚连接到一起时只有当所有引脚都输出高阻态才由上拉电阻提供高电平此高电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平那线路就相当于短路接地使得整条线路都为低电平0 伏。
推挽输出模式一般应用在输出电平为 0 和 3.3 伏而且需要高速切换开关状态的场合。在 STM32的应用中除了必须用开漏模式的场合我们都习惯使用推挽输出模式。开漏输出一般应用在 I2C、SMBUS 通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外还用在电平不匹配的场合如需要输出 5 伏的高电平就可以在外部接一个上拉电阻上拉电源为 5 伏并且把 GPIO 设置为开漏模式当输出高阻态时由上拉电阻和电源向外输出 5 伏的电平具体见图 下图。
输出数据寄存器 前面提到的双 MOS 管结构电路的输入信号是由 GPIO“输出数据寄存器 GPIOx_ODR”提供的因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改 GPIO 引脚的输出电平。而“置位/复位寄存器GPIOx_BSRR”可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。 // GPIOB 16 个 IO 全部输出 0XFFFF GPIOB-ODR 0XFFFF;复用功能输出 “复用功能输出”中的“复用”是指 STM32 的其它片上外设对 GPIO 引脚进行控制此时 GPIO 引脚用作该外设功能的一部分算是第二用途。从其它外设引出来的“复用功能输出信号”与 GPIO本身的数据据寄存器都连接到双 MOS 管结构的输入中通过图中的梯形结构作为开关切换选择。 例如我们使用 USART 串口通讯时需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯发送引脚这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能由串口外设控制该引脚发送数据。 输入数据寄存器 看 GPIO 结构框图的上半部分GPIO 引脚经过内部的上、下拉电阻可以配置成上/下拉输入然后再连接到施密特触发器信号经过触发器后模拟信号转化为 0、1 的数字信号然后存储在“输入数据寄存器 GPIOx_IDR”中通过读取该寄存器就可以了解 GPIO 引脚的电平状态。 // 读取 GPIOB 端口的 16 位数据值 uint16_t temp; temp GPIOB-IDR;复用功能输入 与“复用功能输出”模式类似在“复用功能输入模式”时GPIO 引脚的信号传输到 STM32 其它片上外设由该外设读取引脚状态。 同样如我们使用 USART 串口通讯时需要用到某个 GPIO 引脚作为通讯接收引脚这个时候就可以把该 GPIO 引脚配置成 USART 串口复用功能使 USART 可以通过该通讯引脚的接收远端数据。 模拟输入输出 当 GPIO 引脚用于 ADC 采集电压的输入通道时用作“模拟输入”功能此时信号是不经过施密特触发器的因为经过施密特触发器后信号只有 0、1 两种状态所以 ADC 外设要采集到原始的模拟信号信号源输入必须在施密特触发器之前。类似地当 GPIO 引脚用于 DAC 作为模拟电压输出通道时此时作为“模拟输出”功能DAC 的模拟信号输出就不经过双 MOS 管结构模拟信号直接输出到引脚。 GPIO 工作模式 总结一下由 GPIO 的结构决定了 GPIO 可以配置成以下模式 typedef enum { GPIO_Mode_AIN 0x0,// 模拟输入 GPIO_Mode_IN_FLOATING 0x04,// 浮空输入 GPIO_Mode_IPD 0x28,// 下拉输入 GPIO_Mode_IPU 0x48,// 上拉输入7GPIO_Mode_Out_OD 0x14,// 开漏输出 GPIO_Mode_Out_PP 0x10,// 推挽输出 GPIO_Mode_AF_OD 0x1C,// 复用开漏输出 GPIO_Mode_AF_PP 0x18// 复用推挽输出 } GPIOMode_TypeDef;在固件库中GPIO 总共有 8 种细分的工作模式稍加整理可以大致归类为以下三类 输入模式 (模拟/浮空/上拉/下拉) 在输入模式时施密特触发器打开输出被禁止可通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 读取 I/O 状态。其中输入模式可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉输入很好理解默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的完全由外部的输入决定一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于 ADC 采集。 输出模式 (推挽/开漏) 在输出模式中推挽模式时双 MOS 管以轮流方式工作输出数据寄存器 GPIOx_ODR 可控制 I/O输出高低电平。开漏模式时只有 N-MOS 管工作输出数据寄存器可控制 I/O 输出高阻态或低电平。输出速度可配置有 2MHz10MHz50MHz 的选项。此处的输出速度即 I/O 支持的高低电平状态最高切换频率支持的频率越高功耗越大如果功耗要求不严格把速度设置成最大即可。在输出模式时施密特触发器是打开的即输入可用通过输入数据寄存器 GPIOx_IDR 可读取 I/O的实际状态。 复用功能 (推挽/开漏) 复用功能模式中输出使能输出速度可配置可工作在开漏及推挽模式但是输出信号源于其它外设输出数据寄存器 GPIOx_ODR 无效输入可用通过输入数据寄存器可获取 I/O 实际状态但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。 通过对 GPIO 寄存器写入不同的参数就可以改变 GPIO 的工作模式再强调一下要了解具体寄存器时一定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。在 GPIO 外设中控制端口高低控制寄存器 CRH 和 CRL 可以配置每个 GPIO 的工作模式和工作的速度每 4 个位控制一个 IOCRH 控制端口的高八位CRL 控制端口的低 8 位具体的看 CRH 和 CRL 的寄存器描述。 注意在这里有人可能会有疑问有的i/o口要输出比50mhz更高怎么办毕竟32具有72mhz我查到的资料显示是对于32的i/o口输出是一个确保值啥意思也就是32可以确保你输出50mhz及以下没有问题但是72mhz不不保证一定合适但是可以输出。 端口配置低寄存器GPIOx_CRL(xA~E) 作用控制寄存器端口的低八位
端口配置高寄存器GPIOx_CRH(xA~E) 作用控制寄存器端口的高八位
使用寄存器点亮 LED 灯 硬件连接 STM32 芯片与 LED 灯的连接见图LED 灯电路连接图 这是一个 RGB 灯里面由红蓝绿三个小灯构成使用 PWM 控制时可以混合成 256 不同的颜色。
图中从 3 个 LED 灯的阳极引出连接到 3.3V 电源阴极各经过 1 个限流电阻引入至 STM32 的 3 个GPIO 引脚中所以我们只要控制这三个引脚输出高低电平即可控制其所连接 LED 灯的亮灭。 我们的目标是把 GPIO 的引脚设置成推挽输出模式并且默认下拉输出低电平这样就能让 LED灯亮起来了。 启动文件 名为“startup_stm32f10x_hd.s”的文件它里边使用汇编语言写好了基本程序当 STM32 芯片上电启动的时候首先会执行这里的汇编程序从而建立起 C 语言的运行环境所以我们把这个文件称为启动文件。该文件使用的汇编指令是 Cortex-M3 内核支持的指令可参考《Cortex-M3 权威指南》中指令集章节。startup_stm32f10x_hd.s 文件由官方提供一般有需要也是在官方的基础上修改不会自己完全重写。该文件从 ST 固件库里面找到找到该文件后把启动文件添加到工程里面即可。不同型号的芯片以及不同编译环境下使用的汇编文件是不一样的但功能相同。 对于启动文件这部分我们主要总结它的功能不详解讲解里面的代码其功能如下 • 初始化堆栈指针 SP; • 初始化程序计数器指针 PC; • 设置堆、栈的大小; • 初始化中断向量表; • 配置外部 SRAM 作为数据存储器这个由用户配置一般的开发板可没有外部 SRAM; • 调用 SystemIni() 函数配置 STM32 的系统时钟。 • 设置 C 库的分支入口“__main”最终用来调用 main 函数; 先去除繁枝细节挑重点的讲主要理解最后两点在启动文件中有一段复位后立即执行的程序代码见下图: 点亮 LED-2。在实际工程中阅读时可使用编辑器的搜索 (CtrlF) 功能查找这段代码在文件中的位置搜索 Reset_Handler 即可找到。 ; Reset handler Reset_Handler PROCEXPORT Reset_Handler [WEAK]IMPORT __mainIMPORT SystemInitLDR R0, SystemInitBLX R0 LDR R0, __mainBX R0ENDP开头的是程序注释在汇编里面注释用的是“;”相当于 C 语言的“//”注释符。 第二行是定义了一个子程序Reset_Handler。PROC 是子程序定义伪指令。这里就相当于 C 语言里定义了一个函数函数名为Reset_Handler。 第三行 EXPORT 表示 Reset_Handler 这个子程序可供其他模块调用。相当于 C 语言的函数声明。关键字 [WEAK] 表示弱定义如果编译器发现在别处定义了同名的函数则在链接时用别处的地址进行链接如果其它地方没有定义编译器也不报错以此处地址进行链接。 第四行和第五行 IMPORT 说明 SystemInit 和 __main 这两个标号在其他文件在链接的时候需要到其他文件去寻找。相当于 C 语言中从其它文件引入函数声明。以便下面对外部函数进行调用。 SystemInit 需要由我们自己实现即我们要编写一个具有该名称的函数用来初始化 STM32 芯片的时钟一般包括初始化 AHB、APB 等各总线的时钟需要经过一系列的配置 STM32 才能达到稳定运行的状态。其实这个函数在固件库里面有提供官方已经为我们写好。 __main 其实不是我们定义的 (不要与 C 语言中的 main 函数混淆)这是一个 C 库函数当编译器编译时只要遇到这个标号就会定义这个函数该函数的主要功能是负责初始化栈、堆配置系统环境并在函数的最后调用用户编写的 main 函数从此来到 C 的世界。 第六行把 SystemInit 的地址加载到寄存器 R0。 第七行程序跳转到 R0 中的地址执行程序即执行 SystemInit 函数的内容。 第八行把 __main 的地址加载到寄存器 R0。 第九行程序跳转到 R0 中的地址执行程序即执行 __main 函数执行完毕之后就去到我们熟知的C 世界进入 main 函数。 第十行表示子程序的结束。 总之看完这段代码后了解到如下内容即可我们需要在外部定义一个 SystemInit 函数设置 STM32 的时钟STM32 上电后会执行 SystemInit 函数最后执行我们 C 语言中的 main 函数。 stm32f10x.h 文件 看完启动文件那我们立即写 SystemInit 和 main 函数吧别着急定义好了 SystemInit 函数和main 我们又能写什么内容连接 LED 灯的 GPIO 引脚是要通过读写寄存器来控制的就这样空着手如何控制寄存器。我们知道寄存器就是给一个已经分配好地址的特殊的内存空间取的一个别名这个特殊的内存空间可以通过指针来操作。在编程之前我们要先实现寄存器映射有关寄存器映射的代码都统一写在 stm32f10x.h 文件中如下。 /* 片上外设基地址/ #define PERIPH_BASE ((unsigned int)0x40000000)/ 总线基地址GPIO 都挂载到 APB2 上 / #define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE 0x10000) / AHB 总线基地址 */ #define AHBPERIPH_BASE (PERIPH_BASE 0x20000)/*GPIOB 外设基地址 / #define GPIOB_BASE (APB2PERIPH_BASE 0x0C00)/ GPIOB 寄存器地址, 强制转换成指针 */ #define GPIOB_CRL (unsigned int)(GPIOB_BASE0x00) #define GPIOB_CRH (unsigned int)(GPIOB_BASE0x04) #define GPIOB_IDR (unsigned int)(GPIOB_BASE0x08) #define GPIOB_ODR (unsigned int)(GPIOB_BASE0x0C) #define GPIOB_BSRR (unsigned int)(GPIOB_BASE0x10) #define GPIOB_BRR (unsigned int)(GPIOB_BASE0x14) #define GPIOB_LCKR (unsigned int)(GPIOB_BASE0x18)/*RCC 外设基地址 */ #define RCC_BASE (AHBPERIPH_BASE 0x1000) /*RCC 的 AHB1 时钟使能寄存器地址, 强制转换成指针 */ #define RCC_APB2ENR (unsigned int)(RCC_BASE0x18) main 文件 GPIO 模式 首先我们把连接到 LED 灯的 GPIO 引脚 PB0 配置成输出模式即配置 GPIO 的端口配置低寄存器 CRL。CRL 中包含 0-7 号引脚每个引脚占用 4 个寄存器位。MODE 位用来配置输出的速度CNF 位用来配置各种输入输出模式。在这里我们把 PB0 配置为通用推挽输出输出的速度为 10M。
在代码中我们先把控制 PB0 的端口位清 0然后再向它赋值“0001 b”从而使 GPIOB0 引脚设置成输出模式速度为 10M。 // 清空控制 PB0 的端口位 GPIOB_CRL ~( 0x0F (4*0)); // 配置 PB0 为通用推挽输出速度为 10M GPIOB_CRL | (14*0);代码中使用了 ~、| 这种操作方法是为了避免影响到寄存器中的其它位因为寄存器不能按位读写假如我们直接给 CRL 寄存器赋值 GPIOB_CRL 0x0000001;这时 CRL 的的低 4 位被设置成“0001”输出模式但其它 GPIO 引脚就有意见了因为其它引脚的 MODER 位都已被设置成输入模式。 2. 控制引脚输出电平 在输出模式时对端口位设置/清除寄存器 BSRR 寄存器、端口位清除寄存器 BRR 和 ODR 寄存器写入参数即可控制引脚的电平状态其中操作 BSRR 和 BRR 最终影响的都是 ODR 寄存器然后再通过 ODR 寄存器的输出来控制 GPIO。为了一步到位我们在这里直接操作 ODR 寄存器来控制 GPIO 的电平。
// PB0 输出低电平 GPIOBODR ~(10);开启外设时钟 设置完 GPIO 的引脚控制电平输出以为现在总算可以点亮 LED 了吧其实还差最后一步。由于 STM32 的外设很多为了降低功耗每个外设都对应着一个时钟在芯片刚上电的时候这些时钟都是被关闭的如果想要外设工作必须把相应的时钟打开。 STM32 的所有外设的时钟由一个专门的外设来管理叫 RCCreset and clockcontrolRCC 在《STM32F10X- 中文参考手册》的第六章。关于 RCC 外设中的时钟部分我们在后面的章节《RCC—使用 HSE/HIS 配置》中有详细的讲解这里我们暂时先了解下。 所有的 GPIO 都挂载到 APB2 总线上具体的时钟由 APB2 外设时钟使能寄存器 (RCC APB2ENR)来控制。
// 开启 GPIOB 端口 时钟 RCC_APB2ENR | (13);整合代码为 int main(void) { // 开启 GPIOB 端口时钟 RCC_APB2ENR | (13); //清空控制 PB0 的端口位 GPIOB_CRL ~( 0x0F (4*0)); // 配置 PB0 为通用推挽输出速度为 10M GPIOB_CRL | (140);// PB0 输出 低电平 GPIOB_ODR | (00);while (1);}此时直接编译的话会出现如下错误 Error: L6218E: Undefined symbol SystemInit (referred from startup_stm32f10x.o)错误提示 SystemInit 没有定义。从分析启动文件时我们知道Reset_Handler 调用了该函数用来初始化 SMT32 系统时钟为了简单起见我们在 main 文件里面定义一个 SystemInit 空函数什么也不做为的是骗过编译器把这个错误去掉。关于配置系统时钟我们在后面再写。当我们不配置系统时钟时STM32 会把 HSI 当作系统时钟HSI8M由芯片内部的振荡器提供。我们在main 中添加如下函数 // 函数为空目的是为了骗过编译器不报错 void SystemInit(void) { }这时再编译就没有错了完美解决。还有一个方法就是在启动文件中把有关 SystemInit 的代码注释掉也可以如下 ; Reset handler Reset_Handler PROCEXPORT Reset_Handler [WEAK]IMPORT __main;IMPORT SystemInitLDR R0, SystemInitBLX R0 LDR R0, __mainBX R0ENDP点亮了PB0口的绿灯。 扩展 // 1、点亮其他的两个LED灯 // 2、写一个简单的延时函数让灯闪烁 /** ****************************************************************************** file main.c* brief 主函数* author (六千里)* date 2024-03-06* copyright 无* ****************************************************************************/ #include stm32f10x.h /* *因为没学32的库函数版本配置72MHZ因此这里不配置PLL采用8MHZ */ /* brief 选择RGB灯亮那个颜色 * param x0时为绿色* x4时为蓝色* x5时为红色* retval None* author (六千里)* date 2024-03-06*/void RGB_Color(int x){switch(x){case 0: {GPIOB_CRL ~(0x0F(4*0));GPIOB_CRL | (1 (4*0) );GPIOB_ODR |0XFFFF;GPIOB_ODR ~(10);break;}case 4: {GPIOB_CRL ~(0x0F(4*1));GPIOB_CRL | (1 (4*1) );GPIOB_ODR |0XFFFF;GPIOB_ODR ~(11);break;} case 5: {GPIOB_CRL ~(0x0F(4*5));GPIOB_CRL | (1 (45) );GPIOB_ODR |0XFFFF;GPIOB_ODR ~(15);break;} default:;} } /** brief 延时函数不准 * param time延时多少秒* retval None* author (六千里)* date 2024-03-06/void Delay(int time){int temp_time0x1FFFF;while(time–){temp_time0x1FFFFF;while(temp_time–);} }int main (void) { RCC_APB2ENR | (13);while(1){RGB_Color(0);Delay(1);RGB_Color(5);Delay(1);RGB_Color(4);Delay(1);} } /** brief 骗过编译器* param 无* retval 无* author (六千里)* date 2024-03-06*/ void SystemInit(void) {// 函数体为空目的是为了骗过编译器不报错 }参考:https://doc.embedfire.com/products/link/zh/latest/index.html