MCU微课堂 | CKS32F107xx系列GPIO配置

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cathy 发布于:周二, 06/11/2024 - 14:22 ,关键词:

GPIO简介

GPIO是通用输入输出端口的简称,也是CKS32可控制的引脚,CKS32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。CKS32芯片的GPIO被分成很多组,每组有16个引脚,如型号为CKS2F107VET6型号的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC至GPIOE共5组GPIO,芯片一共100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CKS32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框图结构分析

CKS32F107系列MCU的GPIO内部硬件结构如下图所示,通过GPIO硬件结构框图,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 MCU引出的 GPIO引脚,其余部件都位于MCU芯片内部。

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图1 GPIO硬件结构框图

序号①是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CKS32的GPIO能直接外接大功率驱动器件,如直接驱动电机,如果强制驱动可能会造成电机不转或者导致芯片烧坏,必须要在GPIO和电机之间增加大功率及隔离电路驱动。

序号②是GPIO引脚线路经过两个保护二极管后,下方“输出模式”电路中的一个由P-MOS和N-MOS管组成的结构单元。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式,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,推挽等效电路如下图(左)。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。在实际应用中,除了必须用开漏模式的场合,一般都习惯使用推挽输出模式。

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图2 GPIO硬件结构框图

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,因此正常使用时必须外部接上拉电阻。开漏等效电路如上图(右),它具有“线与”特性,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。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。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。

序号③是GPIO输出数据寄存器组,前面提到的双MOS管结构电路输入信号,就是由这个寄存器组中的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。

序号④是连接MCU片内外设和GPIO引脚的复用功能输出模块,通过此功能可以将GPIO引脚用作指定外设功能的一部分,算是GPIO的第二用途。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,通过内部开关切换选择。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。

序号⑤是输入数据寄存器组,位于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获取GPIO引脚的电平状态。

序号⑥是连接MCU片内外设和GPIO引脚的复用功能输入模块,与序号④类似,在“复用功能输入模式”时,GPIO引脚的信号传输到指定片内外设,由该外设读取引脚状态。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,由串口外设控制该引脚接收外部数据。

序号⑦是用于ADC采集电压输入通道的专用“模拟输入”功能,由于ADC外设要采集到原始的模拟信号,所以输入信号不经过施密特触发器,因为经过施密特触发器后信号只有0/1两种状态。类似地,当GPIO引脚作为“模拟输出”功能用于DAC模拟电压输出通道时,模拟信号输出也不经过双MOS管结构而直接输出到GPIO引脚。

GPIO工作模式总结

根据上述结构分析,可以总结出在固件库中GPIO可以配置成如下8种工作模式,且大致归为三类。

//Configuration Mode enumeration
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    
    GPIO_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;

第一类是输入模式(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。模拟输入则专用于ADC采集。

第二类是输出模式(推挽/开漏),在推挽模式时双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,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。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。

第三类是复用功能模式(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。

以上各类型的GPIO口每一个都可以自由编程,此外,CKS32F107的很多IO口都是5V兼容的,这些IO口在与5V电平的外设连接的时候很有优势,具体哪些IO口是5V兼容的,可以从该芯片的数据手册管脚描述章节查到(I/O Level标FT的就是5V电平兼容的)。

GPIO寄存器

CKS32的GPIO口寄存器必须要按32位字被访问,每个IO端口都有7个寄存器来控制。分别是:配置模式的2个32位的端口配置寄存器CRL和CRH;2个32位的数据寄存器IDR和ODR;1个32位的置位/复位寄存器BSRR;一个16位的复位寄存器BRR;1个32位的锁存寄存器LCKR。如果想要了解每个寄存器的详细使用方法,可以参考《CKS32F107参考手册》。

(1)CRL和CRH控制着每个IO口的模式及输出速率,本文以CRL为例,看看端口低配置寄存器的描述,如下图所示。该寄存器的复位值为0x44444444,从图中可以看到,复位值其实就是配置端口为浮空输入模式。从下图还可以得出:CRL控制着每组IO端口的低8位模式。每个IO端口的位占用CRL的4个位,高两位为CNF,低两位为MODE。这里我们可以记住几个常用的配置,比如0x0表示模拟输入模式(ADC用)、0x3表示推挽输出模式(做输出口用,50M速率)、0x8表示上/下拉输入模式(做输入口用)、0xB表示复用输出(使用IO口的第二功能,50M速率)。CRH的作用和CRL完全一样,只是CRL控制的是低8位输出口,而CRH控制的是高8位输出口。这里我们对CRH就不做详细介绍了。

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图3 GPIOx_CRL寄存器

(2)IDR是一个端口输入数据寄存器,低16位有效。该寄存器为只读寄存器,并且只能以16位的形式读出。该寄存器各位的描述如下图所示:

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图4 GPIOx_CRL寄存器

(3)ODR是一个端口输出数据寄存器,也只用了低16位。该寄存器为可读写,从该寄存器读出来的数据可以用于判断当前IO口的输出状态。而向该寄存器写数据,则可以控制某个IO口的输出电平。该寄存器的各位描述如下图所示:

5.png

图5 GPIOx_CRL寄存器

(4)BSRR寄存器是端口位设置/清除寄存器。该寄存器和ODR寄存器具有类似的作用,都可以用来设置GPIO端口的输出位是1还是0。

6.png

图6 GPIOx_CRL寄存器

通过固件库操作GPIO

CKS32F107系列GPIO相关的函数和定义分布在固件库文件cks32f10x_gpio.c和头文件 cks32f10x_gpio.h文件中。在固件库开发中,操作寄存器CRH和CRL来配置IO口的模式和速度是通过GPIO初始化函数完成的。

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitTypeDef* 
GPIO_InitStruct);

这个函数有两个参数,第一个参数是用来指定GPIO,取值范围为GPIOA~GPIOG。第二个参数为初始化参数结构体指针,结构体类型为GPIO_InitTypeDef。结构体的定义如下:

typedef struct

{

    uint16_t GPIO_Pin;

    GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;

    GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;

}GPIO_InitTypeDef; 

下面通过一个GPIO初始化实例来讲解这个结构体的成员变量的含义。代码的意思是设置GPIOB的第5个端口为推挽输出模式,同时速度为50M。结构体GPIO_InitStructure的第一个成员变量GPIO_Pin用来设置是要初始化哪个或者哪些IO口;第二个成员变量GPIO_Mode是用来设置对应IO端口的输出输入模式;第三个参数是IO口速度设置。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;               //PB5端口配置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   //推挽输出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //速度50MHz

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);                                   //根据设定参数配置 GPIO

在固件库中操作IDR寄存器读取IO端口数据是通过GPIO_ReadInputDataBit函数实现的。比如我要读GPIOA5的电平状态,那么方法是:

uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_5);

在固件库中设置ODR寄存器的值来控制IO口的输出状态是通过函数GPIO_Write来实现的,该函数一般用来一次性往一个GPIO的多个端口设值。

void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);

该寄存器通过举例子可以很清楚了解它的使用方法。例如你要设置GPIOA的第1个端口值为1,那么你只需要往寄存器BSRR的低16位对应位写1即可。该寄存器往相应位写0是无影响的,所以我们要设置某些位,我们不用管其他位的值。

GPIOA->BSRR = 1 << 1;

在固件库中,通过BSRR和BRR寄存器设置GPIO端口输出是通过函数GPIO_SetBits()和函数GPIO_ResetBits()来完成的。在多数情况下,我们都是采用这两个函数来设置GPIO端口的输入和输出状态。比如我们要设置GPIOB5输出1和0,那么方法为:

void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);

GPIO相关的库函数我们先讲解到这里。虽然IO操作步骤很简单,这里还是做个概括总结,操作步骤为:

(1)使能IO口时钟,调用函数RCC_APB2PeriphClockCmd();

(2)初始化IO参数,调用函数GPIO_Init();

(3)操作IO。

下面我们来讲解一个基于CKS32F107VxT6开发板的GPIO按键输入和GPIO输出实验软件例程。

实验例程

编程要点

(1)使能GPIO端口时钟;

(2)初始化GPIO按键引脚为输入模式(上拉输入);

(3)初始化GPIO LED引脚为输出模式(推挽输出);

(4)编写简单测试程序,检测按键的状态,实现按键控制LED灯。

代码分析

(1)按键检测引脚相关宏定义

//  引脚定义
#define    KEY1_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOC
#define    KEY1_GPIO_PORT    GPIOC      
#define    KEY1_GPIO_PIN     GPIO_Pin_0
#define    LED1_GPIO_PORT    GPIOB         
#define    LED1_GPIO_CLK     RCC_APB2Periph_GPIOB
#define    LED1_GPIO_PIN    GPIO_Pin_15

(2)按键GPIO初始化函数

void Key_GPIO_Config(void)
{    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   
    /*开启按键端口的时钟*/    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY1_GPIO_CLK,ENABLE);                                                    
                        //选择按键的引脚    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_GPIO_PIN;                                             
                        // 设置按键的引脚为浮空输入    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;                                            
                        //使用结构体初始化按键    
    GPIO_Init(KEY1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);}

(3)LED GPIO初始化函数

void LED_GPIO_Config(void)
{    
    /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/     
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  
    /*开启LED相关的GPIO外设时钟*/    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(LED1_GPIO_CLK, ENABLE);  
    /*选择要控制的GPIO引脚*/    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED1_GPIO_PIN;  
    /*设置引脚模式为通用推挽输出*/    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;     
    /*设置引脚速率为50MHz */       
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
    /*调用库函数,初始化GPIO*/    
    GPIO_Init(LED1_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);  
    /* 关闭led灯 */    
    GPIO_SetBits(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN);
}

(4)主函数

int main(void)
{    
    /* LED端口初始化 */    
    LED_GPIO_Config();    
    /* 按键端口初始化 */    
    Key_GPIO_Config();    
    /* 轮询按键状态,若按键按下则反转LED */   
    while(1)                                 
    {          
        if(GPIO_ReadInputDataBit(KEY1_GPIO_PORT,        KEY1_GPIO_PIN) == Bit_RESET)        
        {          
            GPIO_WriteBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN, Bit_SET);        
        }        
        else        
        {          
            GPIO_WriteBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN, Bit_RESET);        
        }        
    }
}

代码中先初始化LED灯及按键后,在while函数里不断读取查询并判断按键是否按下,若返回值表示按键按下,则反转LED灯的状态。

来源:中科芯MCU

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