GPIO

GPIO特性

  • 最大封装(64pin)具有55个多功能双向的I/O口

  • 所有I/O口都可以映射到16个外部中断

  • 几乎所有I/O口可容忍5V输入信号

  • 所有I/O口均为快速I/O,寄存器存取速度最高fAHB

  • I/O引脚的外设功能可以通过一个特定的操作锁定,以避免意外的写入I/O寄存器

  • 每个GPIO引脚都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或复用的外设功能端口

  • 可选的每个I/O口的电流推动/吸入能力

  • GPIO设置/清除寄存器(GPIOx_SCR)和GPIO清除寄存器(GPIOx_CLR)为GPIOx_ODT寄存器提供位访问能力

GPIO

GPIO在复位期间和刚复位后,复用功能未开启,大部分I/O端口被配置成浮空输入模式。当作为输出配置时,写到输出数据寄存器(GPIOx_ODT)上的值会输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式(仅低电平被驱动,高电平表现为高阻)使用输出驱动器。输入数据寄存器(GPIOx_IDT)在每个AHB时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。所有GPIO引脚有一个内部弱上拉和弱下拉,它们被激活或断开有赖于GPIOx_PULL寄存器的值。

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图1. GPIO基本结构

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表1. GPIO配置表

GPIO toggle

AT32F425提供的I/O口均为快速I/O,寄存器存取速度最高为fAHB,所以可以看到GPIO翻转频率能够轻松达到48MHz:

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图2. I/O翻转速度

IO引脚的5V or 3.3V容忍

一、标准3.3V容忍引脚(TC)

所有振荡器用到的引脚都是标准3.3V容忍引脚。

  • PA9–PA12(TSSOP20封装的PA9/10引脚不具FT 5V电平容忍特性)

  • PC14/PC15(LEXT_IN/OUT)

  • PF0/PF1(HEXT_IN/OUT)

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表2. TC引脚示例

二、带模拟功能5V容忍引脚(FTa)

ADC占用端口为带模拟功能5V容忍引脚。

  • PA0–PA7

  • PB0–PB2

  • PC0–PC5

  • FTa引脚设置为输入浮空、输入上拉、或输入下拉时,具有5V电平容忍特性;设置为模拟模式时,不具5V电平容忍特性,此时输入电平必须小于VDD+0.3V

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表3. FTa引脚示例

三、带20mA吸入能力5V容忍引脚(FTf)

部分I2C占用端口为带20mA吸入能力的5V容忍引脚,用以支持I2C的增强快速模式。

  • PB8–PB9

  • PB13–PB14

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表4. FTf引脚示例

四、5V容忍引脚(FT)

其余的GPIO都为5V容忍引脚。

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表5. FT引脚示例

IOMUX

I/O复用功能输入/输出

  • 大多数外设共享同一个GPIO引脚(比如PA0,可作为TMR1_EXT/USART2_CTS/I2C2_SCL/USART4_TX..)

  • 而对某个具体的GPIO引脚,在任意时刻只有一个外设能够与之相连

  • 某些外设功能还可以重映射到其他引脚,从而使得能同时使用的外设数量更多

选择每个端口线的有效复用功能之一是由两个寄存器来决定的,分别是GPIOx_MUXL和GPIOx_MUXH复用功能寄存器。可根据应用的需求用这两寄存器连接复用功能模块到其他引脚。

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表6. 通过GPIOA_MUX寄存器配置端口A的复用功能

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表7. 通过GPIOB_MUX寄存器配置端口B的复用功能

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表8. 通过GPIOC_MUX寄存器配置端口B的复用功能

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表9. 通过GPIOD_MUX寄存器配置端口D的复用功能

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表10. 通过GPIOF_MUX寄存器配置端口F的复用功能

特殊I/O

一、调试复用引脚

  • 在复位时,和复位后不像其他GPIO一样处于浮空输入状态,而是处于复用模式

  • PA13:SWDIO,复用上拉

  • PA14:SWCLK,复用下拉

二、振荡器复用引脚

  • 振荡器关闭的状态下(复位后的默认状态),相关引脚可用作GPIO

  • 振荡器使能状态下,相应引脚的GPIO配置无效

  • 振荡器处于bypass模式(使用外部时钟源)时,LEXT_IN/HEXT_IN为振荡器时钟输入引脚,LEXT_OUT/HEXT_OUT可做GPIO使用

三、电池供电域下的引脚

  • 电池供电域下的引脚包括PC13、PC14以及PC15,电池供电域由VDD供电。

  • PC13可以作为通用I/O口、TAMPER引脚、ERTC校准时钟、ERTC闹钟或秒输出,PC14和PC15可以用于GPIO或LEXT引脚。(PC13至PC15作为I/O口的速度必须限制在2MHz以下,最大负载为30pF,而且这些I/O口绝对不能当作电流源)。

GPIO固件驱动程序API

Artery提供的固件驱动程序包含了一系列固件函数来管理GPIO的下列功能:

  • 初始化配置

  • 读取输入端口或某个输入引脚

  • 读取输出端口或某个输出引脚

  • 设置或清除某个引脚的输出

  • 锁定引脚

  • 引脚的复用功能配置

注:所有project都是基于keil5而建立,若用户需要在其他编译环境上使用,请参考AT32xxx_Firmware_Library_V2.x.x\project\at_start_xxx\templates中各种编译环境(例如IAR6/7,keil4/5)进行简单修改即可。

输出模式

GPIO提供了两种不同类型的输出模式分别是,推挽输出以及开漏输出,下面是输出模式的配置示例:

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输入模式

GPIO提供了三种不同类型的输入模式分别是,浮空输入、上拉输入以及下拉输入,下面是输入模式的配置示例:

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模拟模式

当需要使用ADC通道作为输入时,需要将相应的引脚配置为模拟模式,下面是模拟模式的配置示例:

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复用模式

1. 不论使用何种外设模式,都必须将I/O配置为复用功能,之后系统才能正确使用I/O(输入或输出)。

2. I/O引脚通过复用器连接到相应的外设,该复用器一次只允许一个外设的复用功能(MUX)连接到I/O引脚。这样便可确保共用同一个I/O引脚的外设之间不会发生冲突。每个I/O引脚都有一个复用器,该复用器具有16路复用功能输入/输出(MUX0到MUX15),可通过gpio_pin_mux_config()函数对这些引脚进行配置:

  • 复位后,所有I/O都会连接到系统的复用功能0(MUX0)

  • 通过配置MUX1到MUX7可以映射外设的复用功能

3. 除了这种灵活的I/O复用架构之外,各外设还具有映射到不同I/O引脚的复用功能,这可以针对不同器件封装优化外设I/O功能的数量;例如,可将USART2_TX引脚映射到PA2或PA14引脚上。

4. 配置过程:

  • 使用gpio_pin_mux_config()函数将引脚连接到所需的外设复用功能(MUX),例如配置PA0作为TMR1_EXT输入gpio_pin_mux_config(GPIOA,GPIO_PINS_SOURCE0,GPIO_MUX_4);

  • 使用GPIO_Init()函数配置I/O引脚:

- 通过以下方式配置复用功能模式下的所需引脚

gpio_init_struct.gpio_mode=GPIO_MODE_MUX;

- 通过以下成员选择类型、上拉/下拉和驱动力

gpio_out_type、gpio_pull和gpio_drive_strength成员

根据上述配置过程,下面将介绍几种外设的常用配置示例。

一、USART I/O复用模式配置

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二、TMR I/O复用模式配置

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三、I2C I/O复用模式配置

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来源:AT32 MCU 雅特力科技

免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理(联系邮箱:cathy@eetrend.com)。

围观 178

GPIO特性

  • 最大封装(144pin)具有116个多功能双向的I/O口;

  • 所有I/O口都可以映射到16个外部中断;

  • 绝大部分I/O口可容忍5V输入信号;

  • 所有I/O口均为快速I/O,寄存器存取速度最高fAHB;

  • I/O引脚的外设功能可以通过一个特定的操作来开启写保护,以避免意外的写入I/O寄存器;

  • 每个GPIO引脚都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或复用的外设功能端口;

  • 可选的每个I/O口的电流推动/吸入能力;

  • 端口位设置/清除寄存器(GPIOx_SCR)和端口位清除寄存器(GPIOx_CLR)为GPIOx_ODT寄存器提供位访问能力。

GPIO

GPIO在复位期间和刚复位后,复用功能未开启,大部分I/O端口被配置成浮空输入模式。

当作为输出配置时,写到输出数据寄存器(GPIOx_ODT)上的值会输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式(仅低电平被驱动,高电平表现为高阻)使用输出驱动器。

输入数据寄存器(GPIOx_IDT)在每个AHB时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。

所有GPIO引脚有一个内部弱上拉和弱下拉,它们被激活或断开有赖于GPIOx_PULL寄存器的值。

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图1. I/O端口位的基本结构

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表1. I/O端口位配置表

GPIO toggle

AT32F435/437提供的I/O口均为快速I/O,寄存器存取速度最高为fAHB,所以可以看到在主频为240MHz时,GPIO翻转频率能够轻松达到120MHz:

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图2. I/O翻转速度

IO引脚的5V or 3.3V容忍

标准3.3V容忍引脚(TC)

所有振荡器和USB_OTG用到的引脚都是标准3.3V容忍引脚。

  • PC14/PC15(LEXT_IN/OUT)

  • PH0/PH1(HEXT_IN/OUT)

  • PA11/PA12(OTGFS1_D-/D+)

  • PB14/PB15(OTGFS2_D-/D+)

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表2. TC引脚示例

带模拟功能5V容忍引脚(FTa)

ADC占用端口为带模拟功能5V容忍引脚。

  • PA0–PA7,PB0–PB1,PC0–PC5,PF3–PF10

  • FTa引脚设置为输入浮空、输入上拉、或输入下拉时,具有5V电平容忍特性;设置为模拟模式时,不具5V电平容忍特性,此时输入电平必须小于VDD+0.3V

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表3. FTa引脚示例

带20mA吸入能力5V容忍引脚(FTf)

部分I2C可提供带20mA吸入能力的5V容忍引脚。

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表4. FT引脚示例

5V容忍引脚(FT)

其余的GPIO都为5V容忍引脚。

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表5. FT引脚示例

IOMUX

I/O复用功能输入/输出

  • 大多数外设共享同一个GPIO引脚(比如PA0,可作为TMR2_CH1/TMR2_EXT/TMR5_CH1/TMR8_EXT/I2C2_SCL/USART2_CTS)

  • 而对某个具体的GPIO引脚,在任意时刻只有一个外设能够与之相连

  • 某些外设功能还可以重映射到其他引脚,从而使得能同时使用的外设数量更多

选择每个端口线的有效复用功能之一是由两个寄存器来决定的,分别是GPIOx_MUXL和GPIOx_MUXH复用功能寄存器。可根据应用的需求用这两寄存器连接复用功能模块到其他引脚。

8.png9.png

表6. 通过GPIOA_AFR寄存器配置端口A的复用功能

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表7. 通过GPIOB_AFR寄存器配置端口B的复用功能

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表8. 通过GPIOF_AFR寄存器配置端口C的复用功能

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表9. 通过GPIOF_AFR寄存器配置端口D的复用功能

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表10. 通过GPIOF_AFR寄存器配置端口E的复用功能

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表11. 通过GPIOF_AFR寄存器配置端口F的复用功能

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表12. 通过GPIOF_AFR寄存器配置端口G的复用功能

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表13. 通过GPIOF_AFR寄存器配置端口H的复用功能

特殊I/O

调试复用引脚

在复位时,和复位后不像其他GPIO一样处于浮空输入状态,而是处于AF模式

  • PA13:JTMS/SWDIO,AF上拉

  • PA14:JTCK/SWCLK,AF下拉

  • PA15:JTDI,AF上拉

  • PB3:JTDO/SWO,AF浮空

  • PB4:JNTRST,AF上拉

振荡器复用引脚

  • 振荡器关闭的状态下(复位后的默认状态),相关引脚可用作GPIO

  • 振荡器使能状态下,相应引脚的GPIO配置无效

  • 振荡器处于bypass模式(使用外部时钟源)时,HEXT_IN/LEXT_IN为振荡器时钟输入引脚,HEXT_OUT/LEXT_OUT可做GPIO使用

电池供电域引脚

  • 电池供电域引脚包括PC13、PC14以及PC15。电池供电域由VDD或VBAT引脚供电,当VDD主 电源被切断时,电池供电域自动切换至VBAT引脚供电,以保障ERTC正常工作。

  • 当电池供电域由VDD供电时,PC13可以作为通用I/O口、TAMPER引脚、ERTC校准时钟、ERTC闹钟或秒输出,PC14和PC15可以用于GPIO或LEXT引脚。(PC13至PC15作为I/O口的速度必须限制在2MHz以下,最大负载为30pF,而且这些I/O口绝对不能当作电流源)。

  • 当电池供电域由VBAT供电时,PC13可以作为TAMPER引脚、ERTC闹钟或秒输出,PC14和PC15只能用于LEXT引脚。

GPIO固件驱动程序API

Artery提供的固件驱动程序包含了一系列固件函数来管理GPIO的下列功能:

  • GPIO寄存器复位

  • 初始化配置

  • 读取输入端口或某个输入引脚

  • 读取输出端口或某个输出引脚

  • 设置或清除某个引脚的输出

  • 锁定引脚

  • 引脚的复用功能配置

输出模式

GPIO提供了两种不同类型的输出模式分别是,推挽输出以及开漏输出,下面是输出模式的配置示例:

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输入模式

GPIO提供了三种不同类型的输入模式分别是,浮空输入、上拉输入以及下拉输入,下面是输入模式的配置示例:

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模拟模式

当需要使用ADC或COMP通道作为输入时,需要将相应的引脚配置为模拟模式,下面是模拟模式的配置示例:

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复用模式

  1. 不论使用何种外设模式,都必须将I/O配置为复用功能,之后系统才能正确使用I/O(输入或输出)。

  2. I/O引脚通过复用器连接到相应的外设,该复用器一次只允许一个外设的复用功能(IOMUX)连接到I/O引脚。这样便可确保共用同一个I/O引脚的外设之间不会发生冲突。每个I/O引脚都有一个复用器,该复用器具有16路复用功能输入/输出(MUX0到MUX15),可通过gpio_pin_mux_config()函数对这些引脚进行配置:

    —复位后,所有I/O都会连接到系统的复用功能0(MUX_0)

    —通过配置MUX0到MUX15可以映射外设的复用功能

  3. 除了这种灵活的I/O复用架构之外,各外设还具有映射到不同I/O引脚的复用功能,这可以针对不同器件封装优化外设I/O功能的数量;例如,可将USART2_TX引脚映射到PA2或PA14引脚上。

  4. 配置过程:

      —使用gpio_pin_mux_config()函数将引脚连接到所需的外设复用功能,例如配置PA0作为                  TMR2_EXT输入

      gpio_pin_mux_config(GPIOA,GPIO_PINS_SOURCE0,GPIO_MUX_1);

      —使用gpio_init()函数配置I/O引脚:

          -通过以下方式配置复用功能模式下的所需引脚

          gpio_init_struct.gpio_mode=GPIO_MODE_MUX;

          -通过以下成员选择类型、上拉/下拉和驱动能力

          gpio_pull、gpio_out_type和gpio_drive_strength成员

根据上述配置过程,下面将介绍几种外设的常用配置示例。
USART I/O复用模式配置

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TMR I/O复用模式配置

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I2C I/O复用模式配置

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案例 LED翻转

功能简介

通过系统时钟延时来对LED进行翻转。

资源准备

1) 硬件环境:

对应产品型号的AT-START BOARD

2) 软件环境:

project\at_start_f437\examples\gpio\led_toggle

软件设计

1) 配置流程

  • 配置系统时钟;

  • 初始化延时函数和LED;

  • 翻转LED。

2) 代码介绍

  • main函数代码描述

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  • LED翻转代码描述

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实验效果

  • 上电运行会看到LED2、LED3和LED4以间隔200ms时间交替的进行翻转。

案例 SWJTAG接口复用

功能简介

对SWJTAG接口的I/O进行复用。

资源准备

3) 硬件环境:

对应产品型号的AT-START BOARD

4) 软件环境:

project\at_start_f437\examples\gpio\swjtag_mux

软件设计

3) 配置流程

  • 配置系统时钟;

  • 初始化延时函数;


  • 配置SWJTAG接口的复用和USART2初始化。

4) 代码介绍

  • main函数代码描述

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  • SWJ配置代码描述

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实验效果


将PA13接示波器,PA14接入串口打印工具;

程序运行过程中PA13每隔500ms会翻转一次,表示jtms/swdio引脚已被用为GPIO使用;

PA14接入串口打印工具后,每隔500ms会看到USART2_TX打印主循环执行次数。

来源:AT32 MCU 雅特力科技
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围观 444

GPIO(General-purpose input/output)是通用输入输出端口的简称,CKS32F4xx系列产品通过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。最基本的输出功能是由CKS32F4xx系列产品控制引脚输出高、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硬件结构框图

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该图从最右端看起,最右端标注着“I/O”的就是代表CKS32F4xx系列产品引出的GPIO引脚,其余部件都位于芯片内部。引脚处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_FT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,由此可以防止不正常电压引入芯片导致芯片的烧毁。这里要特别注意VDD_FT 代表IO口兼容3.3V和5V,如果没有标注“FT”,就代表着不兼容5V。在芯片数据手册的引脚定义中,会看到有“电平I/O”一列,有FT标注的即为支持5V,如下图所示:

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标号1处是上拉、下拉电阻,从它的结构我们可以看出,通过上、下拉对应的开关配置,我们可以控制引脚默认状态下的电压,开启上拉的时候引脚电压为高电平,开启下拉的时候引脚电压为低电平。同时也可以设置“既不上拉也不下拉模式”,我们也把这种状态称为浮空模式。

标号2处是一个由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。上方的P-MOS管高电平导通,低电平关闭,下方的N-MOS低电平导通,高电平关闭。

标号3处是输出数据寄存器,它为标号2处的双MOS管结构电路提供输入控制信号,因此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。而图中“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。

标号4处是复用功能输出,“复用”是指CKS32F4xx系列产品的其它片上外设可以对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。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。

标号5处是输入数据寄存器,它连接到图中的TTL施密特触发器,触发器的基本原理是当输入电压高于正向阈值电压时,输出为高;当输入电压低于负向阈值电压时,输出为低;IO口信号经过触发器后,模拟信号转化为0和1的数字信号,也就是高低电平,并且是TTL电平协议, 然后存储在“输入数据寄存器。因此,通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

标号6处是复用功能输入,与“复用功能输出”模式类似,同样,如果我们使用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接收远端数据。

标号7处是模拟输入输出,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。同样的,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管结构了,在GPIO结构框图的右下角处,模拟信号直接输出到引脚。

GPIO的工作模式

- 4种输入模式 -

1.浮空输入

浮空输入状态下,IO的电平状态是不确定的,完全由外部输入决定。如果在该引脚悬空的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

2.上拉输入

在该模式下,如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空,IO口默认为高电平。如果I/O口输入低电平,那么引脚就为低电平,MCU读取到的就是低电平。

3.下拉输入

在该模式下如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空,IO口默认为低电平,如果I/O口输入高电平,那么引脚就为高电平,MCU读取到的就是高电平。

4.模拟功能

当GPIO用于模拟功能时,引脚的上、下拉电阻是不起作用的,这个时候即使配置了上拉或下拉模式,也不会影响到模拟信号的输入输出。除了ADC和DAC要将IO配置为模拟功能模式之外,其他外设功能一律要配置为复用功能模式。

- 4种输出模式 -

1.开漏输出(带上拉或者下拉)

在该模式下,若MCU控制输出为高电平1时,输出指令是不会起到作用的。此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定,而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定,如果没有上拉或者下拉,IO口就处于高阻态。虽然通过软件设置内部上拉,也可以输出高电平,但是CKS32F4xx系列产品内部上拉是"弱上拉",即通过此上拉输出的电流是很弱的,驱动能力很弱。但是在该模式下,当MCU控制输出为低电平0时,即使没有上拉或者下拉,I/O端口也会输出低电平。另一方面,在开漏模式下,施密特触发器是打开的,即输入可用,可以通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O的实际状态。开漏输出主要有以下两点作用:

a. I/O端口设置成开漏输出模式时,可以用来连接不同电平的器件,用来匹配电平,因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时,只能输出低电平,如果需要同时具备输出高电平的功能,则需要接上拉电阻。因此我们通过改变上拉电源的电压,便可以改变传输电平。比如通过加上上拉电阻就可以提供TTL电平-CMOS电平的输出。

b.当多个设置为开漏输出的引脚连接到一条总线上时。通过外加一个上拉电阻,在不增加任何器件的情况下,这些引脚形成了“与逻辑”关系,即“线与”。如果有一个引脚输出为逻辑0,相当于接地,那么与之并联的回路“相当于被一根导线短路”,所以总线上的逻辑电平便为0。只有都为高电平时,总线上的电平才为1。在IIC通信中,引脚通常设置为开漏输出模式。

2.复用开漏输出(带上拉或者下拉)

此时GPIO复用为其他外设,输出数据寄存器GPIOx_ODR无效;即输出的高低电平来源于其它外设,除了输出信号的来源改变之外,其他的与开漏输出功能相同。

3.推挽输出(带上拉或者下拉)

在该模式下,如果我们控制输出为0,低电平,则I/O端口的电平就是低电平。若控制输出为1,高电平,则I/O端口的电平就是高电平。此时,外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出IO口的默认电平。在该模式下,施密特触发器也是打开的,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。

4.复用推挽输出(带上拉或者下拉)

此时GPIO复用为其他外设,输出数据寄存器GPIOx_ODR无效;即输出的高低电平来源于其它外设,除了输出信号的来源改变之外,其他的与推挽输出功能相同。

- 4种输出速度 -


1. 2MHZ(低速)

2. 25MHZ(中速)

3. 50MHZ(快速)

4. 100MHZ(高速)

GPIO的引脚速度又称输出驱动电路的响应速度,即一个驱动电路可以不失真地通过信号的最大频率。比如信号频率为10MHz,而我们把GPIO速度配置成了2MHz,则10MHz的方波很可能就变成了正弦波,发生了失真。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,我们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。因为GPIO口的速度配置越高,噪声越大,功耗也越大。比如在USART串口通信中,若最大波特率只需115.2k,那用2M的速度就够了,既省电,噪声也小;而在SPI接口中,若使用18M或9M的波特率,则需要选用50M的GPIO的引脚速度。

注意:CKS32F407用于配置PA13输出速度的GPIOA_OSPEEDR寄存器的端口 13配置位(GPIOA_OSPEEDR_OSPEEDR13[1:0])初始值为00,即PA13的I/O输出速度默认为低速。因此客户在实际使用CKS32F407时,要按照参考手册中的介绍来配置GPIOA_OSPEED寄存器中 OSPEEDR13[1:0]位,从而来选择PA13的I/O输出指定的速度。

GPIO的配置

接下来我们讲解如何利用CKS32F4xx系列固件库对GPIO口的工作模式进行配置。首先,固件库中定义了一个如下的结构体:

typedef struct
{  
  uint32_t GPIO_Pin;               
  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;      
  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;    
  GPIOOType_TypeDef GPIO_OType;    
  GPIOPuPd_TypeDef GPIO_PuPd;    
} GPIO_InitTypeDef;

通过对该结构体成员中各个变量的初始化,就可以完成对2.2小节中所讲的GPIO口的工作模式配置。结构体中各个成员变量的介绍及初始化时可被赋的值如下:

1)GPIO_Pin:用来选择要控制的GPIO引脚,在标准库函数中可选择的值及其定义如下:

#define GPIO_Pin_0                 ((uint16_t)0x0001) 
#define GPIO_Pin_1                 ((uint16_t)0x0002) 
#define GPIO_Pin_2                 ((uint16_t)0x0004)  
#define GPIO_Pin_3                 ((uint16_t)0x0008) 
#define GPIO_Pin_4                 ((uint16_t)0x0010)  
#define GPIO_Pin_5                 ((uint16_t)0x0020)  
#define GPIO_Pin_6                 ((uint16_t)0x0040) 
#define GPIO_Pin_7                 ((uint16_t)0x0080)  
#define GPIO_Pin_8                 ((uint16_t)0x0100) 
#define GPIO_Pin_9                 ((uint16_t)0x0200)  
#define GPIO_Pin_10                ((uint16_t)0x0400) 
#define GPIO_Pin_11                ((uint16_t)0x0800) 
#define GPIO_Pin_12                ((uint16_t)0x1000) 
#define GPIO_Pin_13                ((uint16_t)0x2000) 
#define GPIO_Pin_14                ((uint16_t)0x4000)  
#define GPIO_Pin_15                ((uint16_t)0x8000) 
#define GPIO_Pin_All               ((uint16_t)0xFFFF)

2) GPIO_Mode:用来设置已经选择的GPIO引脚的模式,在标准库函数中可选择的值及其定义如下:

typedef enum
{   
   GPIO_Mode_IN   = 0x00, /*!设置为输入模式 */  
   GPIO_Mode_OUT  = 0x01, /*!设置为输出模式*/  
   GPIO_Mode_AF   = 0x02, /*!设置为复用模式 */  
   GPIO_Mode_AN   = 0x03  /*!设置为模拟模式*/
}GPIOMode_TypeDef;

3) GPIO_Speed:用来设置已经选择的GPIO引脚的速度,在标准库函数中可选择的值及其定义如下:

#define  GPIO_Speed_2MHz    GPIO_Low_Speed    
#define  GPIO_Speed_25MHz   GPIO_Medium_Speed 
#define  GPIO_Speed_50MHz   GPIO_Fast_Speed 
#define  GPIO_Speed_100MHz  GPIO_High_Speed

4) GPIO_OType:用来设置已经选择的GPIO引脚的输出模式,只有输出模式才需要该配置,输入模式下不需要该配置。在标准库函数中可选择的值及其定义如下:

typedef enum
{   
   GPIO_OType_PP = 0x00, /*!设置为推挽输出模式 */  
   GPIO_OType_OD = 0x01  /*!设置为开漏输出模式 */
}GPIOOType_TypeDef;

5) GPIO_PuPd:用来设置已经选择的GPIO引脚的上下拉,在标准库函数中可选择的值及其定义如下:

typedef enum
{   
   GPIO_PuPd_NOPULL = 0x00, /*!设置为既不上拉也不下拉/浮空模式 */  
   GPIO_PuPd_UP     = 0x01, /*!设置为上拉模式*/  
   GPIO_PuPd_DOWN   = 0x02  /*!设置为下拉模式*/
}GPIOPuPd_TypeDef;

根据上面所讲解的配置方法,我们讲解标准库下的3个实际配置实例。

1) 作为普通的GPIO口输出,控制LED灯的亮灭,其GPIO口初始化函数如下:

void LED_GPIO_Init(void)
{         
   GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;  
   RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF,ENABLE);//使能GPIOF时钟  
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;//LED1对应的IO口  
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//输出模式  
   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽模式  
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//速度100MHz  
   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉  
   GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO
}

2) 复用为CAN外设的输出。

void CAN1_GPIO_Init(void)
{    
   GPIO_InitTypeDef         
   GPIO_InitStructure;   
   RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能PORTA时钟                                          
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11| GPIO_Pin_12;    
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;  //复用功能    
   GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出    
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz    
   GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;  //上拉    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化PA11,PA12   
   GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource11,GPIO_AF_CAN1); //GPIOA11复用为CAN1   
   GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource12,GPIO_AF_CAN1); //GPIOA12复用为CAN1

3) 当ADC采集的输入通道,作为普通模拟输入。

void  ADC_Init(void)
{      
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;  
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA时钟  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;//PA5 通道5  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//模拟输入  
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不带上下拉  
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化
 }

来源:中科芯MCU

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前面我们已经对敏矽微电子的基于cortex m0内核的ME32F030R8T6的基本功能做了介绍,然后详细讲解了开发环境MDK的安装,pack包的安装,工程的建立及程序的仿真,紧接着讲解了ME32F030R8T6的时钟系统。

如果说前面都是基础知识介绍和理论讲解,那么从本篇开始,我们不但会有理论介绍,还会结合敏矽微电子提供的ME32F030R8T6开发板进行实例验证,让大家看到实例运行的结果。

1、敏矽微电子Cortex-M0学习笔记04-GPIO详解及实例

首先我们对ME32F030R8T6芯片的I/O端口做一个大致的了解。

1.1. ME32F030R8T6的GPIO 概述

ME32F030R8T6提供多达 57个 GPIO 管脚。主要的特点有:

• 数字管脚可以用软件定义为输入或输出

• 管脚读写可以被屏蔽

• 多个管脚的置位、清零位用一条指令实现

• 管脚的输出取反

• 每一个管脚可作为外部中断信号

• 可编程的中断触发条件及中断优先级

• 所有GPIO管脚在复位后被配置成带上拉电阻的输入管脚

MCU的端口除了灵活易用的特点之外,其外设功能也十分强大。管脚功能由IO控制寄存器配置,除电源管脚,其余管脚均可复用。

系统复位后,管脚功能将被设置成默认值。

GPIO可以复用的功能如下:LED/LCD 驱动、触摸按键、ADC、定时器6输出、定时器7输出、PWM输出、UART0、UART1、SPI、I2C。

在使用端口复用功能时,通过 I/O 配置寄存器IOCON对端口进行功能设置,每个引脚对应的复用功能,请参照官方数据手册的详细说明。

1.2. ME32F030R8T6的GPIO 寄存器详解

对于使用过单片机开发产品的人来说,功能繁多、名称各异的寄存器应该是最重要也是最令人头疼的地方,但是没办法,想要开发出功能稳定、性能可靠的产品,就必须来硬着头皮查看各个寄存器的功能和配置方法。

当然,对于ME32F030R8T6来说,官方推出了库函数,利用这些库函数可以不必关心具体的寄存器就能编写出合适的程序。但是对于想要深入了解的话,还是要看看寄存器的。

1.2.1. GPIO功能配置寄存器

MCU有一系列的GPIO 控制寄存器来实现对I/O口的灵活控制。

首先我们对 I/O 配置寄存器IOCON做一个介绍,因为它决定着I/O端口的功能选择和电气特性。所以需要拿出来单独进行介绍,该寄存器的每一位的功能如下:

1.png

2.png

①、管脚功能:

IOCON 寄存器中的 FUNC 位可设为 GPIO (FUNC = 000) 或外设功能。如果将管脚配置为 GPIO 管脚,则 DIR 寄存器决定管脚是配置为输入还是输出。对于任何外设功能,会根据管脚的功能自动控制管脚方向。GPIO 的 DIR 寄存器此时对外设功能无效。

②、管脚模式:

IOCON 寄存器的 MODE 位允许为每个管脚使能或禁止片内上拉电阻。默认情况下,所有管脚的上拉电阻都被使能。

③、管脚驱动

对于每个正常驱动管脚,可以选择两种电流的输出驱动,即低电流模式和高电流模式。用户可以根据自己的实际需求进行选择。

④、开漏模式

所有数字 I/O 管脚都可为开漏模式。但是请注意,该模式并不是真正的开漏模式。输入上拉至不能超过VDD。

⑤、模式功能

I/O 管脚可以配置为模拟功能,作为模拟信号的输出和输入管脚,例如复用为AD口的时候,可以作为检测电压的模拟信号输入口。

⑤、电压转换速率模式

在作用AD转换口的时候,可以设置端口转换速率为快速模式或慢速模式,默认为快速模式。相对于快速模式,慢速模式转满时间会变长,随之电流功耗也增大,但时精度会更加精确,根据应用场景和自身需求,选择适合的模式。

1.2.2. GPIO控制寄存器总览

MCU所有的GPIO被分布到4个端口: PA,、PB、PC、PD。每个端口都拥有自己独立的控制寄存器去管理 GPIO 的功能。下面的表列出了所有的寄存器以供参考。接下来会对每个寄存器做出详解。

3.png

4.png

1.2.3. GPIO屏蔽寄存器

GPIO屏蔽寄存器可屏蔽下列寄存器的读和写操作:PIN、OUT、SET、CLR和 NOT,相当于给这些寄存器上了个“锁”,只有当MASK寄存器相应的BIT位被置 0,被屏蔽的寄存器才能进行读和写操作。该寄存器上电后默认为0,即不进行GPIO屏蔽。当配置1启动屏蔽功能后,对处于输出功能的端口进行任何写操作都无效,不会改变其当前的输出状态。对处于输入功能的端口进行读操作,无论此时端口处于何种电平,都会返回0.

1.2.4. GPIO管脚值寄存器

对配置为数字功能的端口,对该寄存器进行读操作将返回管脚的当前逻辑值,不管该管脚是配置为输入还是输出,也不管它是配置为 GPIO 还是任何其它适用的备用数字功能,都可以直接进行读取。但也有例外,在以下两种情况中, PIN 寄存器中读出的管脚值无效:①、如果选择了管脚的模拟功能(如适用),则不能读取管脚状态,例如将管脚选作 ADC 输入会断开管脚的数字功能。②、该引脚被GPIO屏蔽寄存器MASK给屏蔽了。

1.2.5. GPIO管脚输出寄存器

在没有被GPIO屏蔽寄存器MASK屏蔽的情况下,向该寄存器写0或1将在相应端口管脚产生低电平或高电平。但是对于所有其他配置(输入、非GPIO功能),OUT 寄存器位的值对管脚输出电平无效。读取该寄存器将返回 GPIO 输出寄存器的内容,不管数字管脚配置和方向如何。

通过SET、CLR和NOT寄存器可以对OUT 寄存器执行写操作,允许按位对单个端口管脚进行置位、清除、取反操作。以此来控制OUT 寄存器的输出内容。

1.2.6. GPIO管脚输出置位寄存器

在没有被GPIO屏蔽寄存器MASK屏蔽,端口DIR为输出方向且端口功能为数字GPIO功能的情况下,写1会将相应端口管脚设为高电平。写0对GPIO输出电平无效。另外该寄存器为只写寄存器,对其进行读操作是无效的。

1.2.7. GPIO管脚输出清除寄存器

在没有被GPIO屏蔽寄存器MASK屏蔽,端口DIR为输出方向且端口功能为数字GPIO功能的情况下,写1会将相应端口管脚设为低电平。写0对GPIO输出电平无效。另外该寄存器为只写寄存器,对其进行读操作是无效的。

1.2.8. GPIO管脚输出取反寄存器

在没有被GPIO屏蔽寄存器MASK屏蔽,端口DIR为输出方向且端口功能为数字GPIO功能的情况下,写1会将相应端口的输出状态进行反转。写0对GPIO输出电平无效。另外该寄存器为只写寄存器,对其进行读操作是无效的。

1.2.9. GPIO数据方向寄存器

在使用数字GPIO前,首先要确定的就是端口的数据方向。向该寄存器写1会将端口设置为输出模式,写0设置为输入模式。上电后端口默认为输入状态。

1.2.10. GPIO中断感应寄存器

在文章开头的介绍中,我们就说过MCU的每一个管脚是可以作为外部中断信号。因此会有一系列与之对应的中断管理寄存器,来对每个端口的中断进行管理。这就是接下来要介绍的中断寄存器。在使用端口中断前,需要明确需要触发中断的条件。向中断感应寄存器ISENSEx写入1,端口中断的触发方式为电平中断。向寄存器写入0,端口中断的触发方式为沿中断触发,具体需要什么样的沿来触发,这个还需要下面的中断配置寄存器来设置。

1.2.11. GPIO中断配置寄存器

紧接上文,在明确使用端口触发方式为沿中断触发后,我们通过中断配置寄存器IBEx来选择沿触发条件。向寄存器写入1,管脚的上升沿和下降沿都触发中断。向寄存器写入0,管脚只能由上升沿或下降沿中的一种来触发中断,具体由哪种来触发,需要下面的中断事件寄存器IEVx来决定。

1.2.12. GPIO中断事件寄存器

当中断配置寄存器IBEx值为0时,中断事件寄存器就决定着中断触发的条件,向寄存器写1,上升沿触发中断。写入0,则下降沿产生中断。

1.2.13. GPIO中断屏蔽寄存器

在实际的开发过程中,使用到中断功能的端口毕竟是少数,因此MCU在上电后就默认屏蔽了端口的中断功能。如果要开启端口的中断功能,向对应的寄存器位写1即可。

1.2.14. GPIO原始中断状态寄存器

该寄存器的位读出为高时反映了对应管脚上的原始(屏蔽之前)中断状态,表示在触发 IE 之前所有的要求都满足。位读出为0时表示对应的输入管脚还未启动中断。该寄存器为只读。

1.2.15. GPIO中断状态寄存器

该寄存器中的位读为高反映了输入触发中断的状态。读出为低则表示对应的输入管脚没有中断产生,或者中断被屏蔽。读出为高则表示对应的输入管脚有中断产生。该寄存器为只读。

1.2.16. GPIO中断清除寄存器

在中断发生后,程序会进入中断服务子程序。在中断服务子程序中处理完中断程序后,需要向中断清除寄存器CLRx写1来清除中断标志。

1.3. ME32F030R8T6的GPIO 库函数函数

为了便于开发者快速上手,敏矽微电子官方例程中提供了gpio.c文件,其中包含了设置端口方向、读取端口状态、配置端口中断等函数,供开发者直接使用。

1、设置GPIO为输入方向

void GPIO_ConfigPinsAsInput(PA_Type *port, uint16_t pins)

{

    port->DIR &= ~pins;

    return;

}

2、设置GPIO位输出方向

void GPIO_ConfigPinsAsOutput(PA_Type *port, uint16_t pins)

{

    port->DIR|=pins;

    return;

}

3、设置GPIO输出高

void GPIO_SetPin(PA_Type *port, uint16_t pin)

{

    port->SET |= pin;

    return;

}

4、设置GPIO输出低

void GPIO_ResetPin (PA_Type *port, uint16_t pin)

{

    port->CLR |= pin;

    return;

}

5、设置GPIO输出反转

void GPIO_InvertOutPin (PA_Type *port, uint16_t pin)

{

    port->NOT |= pin;

    return;

}

6、读取GPIO某个引脚的输入状态

uint8_t GPIO_GetPinState(PA_Type *port, uint16_t pin)

{

    if (port->PIN & pin)

    return 1;

    else

    return 0;

}

7、读取GPIO整个引脚的输入状态

uint16_t GPIO_GetPortState(PA_Type *port)

{

    return (uint16_t)port->PIN;

}

8、屏蔽GPIO引脚

void GPIO_SetPortMask(PA_Type *port, uint16_t pins)

{

    port->MASK |= pins;

    return;

}

9、使能GPIO引脚

void GPIO_SetPortMask(PA_Type *port, uint16_t pins)

{

    port->MASK |= pins;

    return;

}

10、配置GPIO引脚的中断功能

void GPIO_EnableInt(PA_Type *port, uint16_t pin, uint8_t triggeredge)

{

	port->IS &= ~pin;


        port->IE |= pin;

    	switch(triggeredge)

    	{

    		case RISE_EDGE:
					port->IBE &= ~pin;

					port->IEV |= pin;			break;			case FALL_EDGE:

					port->IBE &= ~pin;

					port->IEV &= ~pin;			break;			case BOTH_EDGE:

					port->IBE |= pin;			break;				default:			break;



    		}

    		return;

}

11、清除GPIO引脚的中断标志

void GPIO_ClrInt(PA_Type *port, uint16_t pins)

{

    	port->IC =pins;

    	return;
}

1.4. ME32F030R8T6的GPIO 开发实例

介绍完GPIO的原理和函数,接下来就用最经典的LED小灯试验来进行示例。

本例使用敏矽微电子专门为ME32F030R8T6提供的库函数编写程序。

实例程序的代码如下:

int main(void

{
	WDT->MOD=0;          //关闭看门狗   

	PB_9_INIT(PB_9_GPIO);          //PB9(LED)设置为GPIO功能

	GPIO_ConfigPinsAsOutput(PB, IO_PIN9);  //PB9(LED)设置为输出方向

	while (1)

	{

		GPIO_InvertOutPin(PB, IO_PIN9);  //PB9(LED)端口输出反转

		SYS_DelaymS(500);                //延时500ms

	}

}

程序下载成功后,先在端口反转这句话处打上一个断点,然后全速运行程序(快捷键F5)。随后程序会停在断点处,

5.png

此时先暂停观察下LED小灯的状态,发现红圈标注的小灯并没有被点亮。

6.png

运行结果1

接下来单步运行程序,观察执行完端口反转这段程序后的状态。这时我们发现小灯已经被点亮了。

7.png


继续单步运行,当再次执行端口反转这段程序后,端口输出就会反转,接下来小灯就会熄灭。最后取消程序中的所有断点,让程序全速运行起来,小灯便开始周期性的闪烁。

来源:敏矽MCU

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GPIO特性

  • 最大封装(48pin)具有39个多功能双向的I/O口

  • 所有I/O口都可以映射到16个外部中断

  • 几乎所有I/O口可容忍5V输入信号(4个LEXT / HEXT引脚除外)

  • 所有I/O口均为快速I/O,寄存器存取速度最高fAHB

  • I/O引脚的外设功能可以通过一个特定的操作锁定,以避免意外的写入I/O寄存器

  • 每个GPIO引脚都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或复用的外设功能端口

  • 可选的每个I/O口的电流推动/吸入能力

  • GPIO设置/清除寄存器(GPIOx_SCR)和GPIO清除寄存器(GPIOx_CLR)为GPIOx_ODT寄存器提供位访问能力

GPIO

GPIO在复位期间和刚复位后,复用功能未开启,大部分I/O端口被配置成浮空输入模式。

当作为输出配置时,写到输出数据寄存器(GPIOx_ODT)上的值会输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式(仅低电平被驱动,高电平表现为高阻)使用输出驱动器。

输入数据寄存器(GPIOx_IDT)在每个AHB时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。

所有GPIO引脚有一个内部弱上拉和弱下拉,它们被激活或断开有赖于GPIOx_PULL寄存器的值。

“图1.
图1. GPIO基本结构

“表1.
表1. GPIO 配置表

GPIO toggle

AT32F421提供的I/O口均为快速I/O,寄存器存取速度最高为fAHB,所以可以看到GPIO翻转频率能够轻松达到60MHz:

“图2.
<图2. I/O翻转速度

IO引脚的5V or 3.3V容忍

标准3.3V容忍引脚(TC)

所有振荡器用到的引脚都是标准3.3V容忍引脚。

  • PC14/PC15 (HEXT_IN/ OUT)
  • PF0/PF1 (LEXT_IN/ OUT)

“表2.
表2. TC引脚示例

带模拟功能5 V容忍引脚(FTa)

比较器输入引脚以及ADC占用端口为带模拟功能5 V容忍引脚。

  • PA0 – PA7
  • PB0 – PB2,PB12 – PB15
  • FTa引脚设置为输入浮空、输入上拉、或输入下拉时,具有5V电平容忍特性;设置为模拟模式时,不具5V电平容忍特性,此时输入电平必须小于VDD + 0.3V

“表3.
表3. FTa引脚示例

其余的GPIO都为5V容忍引脚。

“表4.
表4. FT引脚示例

IOMUX

I/O复用功能输入/输出

  • 大多数外设共享同一个GPIO引脚(比如PA0,可作为TMR1_EXT / USART2_CTS /I2C2_SCL / CMP_OUT)
  • 而对某个具体的GPIO引脚,在任意时刻只有一个外设能够与之相连
  • 某些外设功能还可以重映射到其他引脚,从而使得能同时使用的外设数量更多

选择每个端口线的有效复用功能之一是由两个寄存器来决定的,分别是GPIOx_MUXL和GPIOx_MUXH复用功能寄存器。可根据应用的需求用这两寄存器连接复用功能模块到其他引脚。

“表5.
表5. 通过GPIOA_MUX*寄存器配置端口A的复用功能

“表6.
表6. 通过GPIOB_MUX*寄存器配置端口B的复用功能

“表7.
表7. 通过GPIOF_MUX*寄存器配置端口F的复用功能

特殊I/O

调试复用引脚

  • 在复位时,和复位后不像其他GPIO一样处于浮空输入状态,而是处于复用模式
  • PA13:SWDIO,复用上拉
  • PA14:SWCLK,复用下拉

振荡器复用引脚

  • 振荡器关闭的状态下(复位后的默认状态),相关引脚可用作GPIO
  • 振荡器使能状态下,相应引脚的GPIO配置无效
  • 振荡器处于bypass模式(使用外部时钟源)时,LEXT_IN/HEXT_IN为振荡器时钟输入引脚,LEXT_OUT/HEXT_OUT可做GPIO使用

备份域引脚

  • 当1.2V区域断电(当器件进入待机模式)时,PC13/PC14/PC15失去GPIO功能。在这种情况下,若GPIO配置没有被RTC配置为bypass,则这些引脚被设为模拟输入模式。

  • 以下内容在F421系列不存在: 模拟开关(power switch)只能通过少量的电流(3mA),在输出模式下使用PC13/PC14/PC15的I/O口功能是有限制的:只能工作在适中电流推动/吸入能力模式下,最大负载为30pF,而且这些I/O口绝对不能当作电流源(如驱动LED)。

GPIO固件驱动程序API

Artery提供的固件驱动程序包含了一系列固件函数来管理GPIO的下列功能:

  • 初始化配置
  • 读取输入端口或某个输入引脚
  • 读取输出端口或某个输出引脚
  • 设置或清除某个引脚的输出
  • 锁定引脚
  • 引脚的复用功能配置

注:所有project都是基于keil 5而建立,若用户需要在其他编译环境上使用,请参考AT32xxx_Firmware_Library_V2.x.x\project\at_start_xxx\templates中各种编译环境(例如IAR6/7,keil 4/5)进行简单修改即可。

输出模式

GPIO提供了两种不同类型的输出模式分别是,推挽输出以及开漏输出,下面是输出模式的配置示例:

“AT32F421

输入模式

GPIO提供了三种不同类型的输入模式分别是,浮空输入、上拉输入以及下拉输入,下面是输入模式的配置示例:

“AT32F421

模拟模式

当需要使用ADC或CMP通道作为输入时,需要将相应的引脚配置为模拟模式,下面是模拟模式的配置示例:

“AT32F421

复用模式

1. 不论使用何种外设模式,都必须将I/O配置为复用功能,之后系统才能正确使用I/O(输入或输出)。

2. I/O引脚通过复用器连接到相应的外设,该复用器一次只允许一个外设的复用功能(MUX)连接到I/O引脚。这样便可确保共用同一个I/O引脚的外设之间不会发生冲突。每个I/O引脚都有一个复用器,该复用器具有16路复用功能输入/输出(MUX0到MUX15),可通过gpio_pin_mux_config()函数对这些引脚进行配置:

— 复位后,所有I/O都会连接到系统的复用功能0(MUX0)
— 通过配置MUX1到MUX7可以映射外设的复用功能

3. 除了这种灵活的I/O复用架构之外,各外设还具有映射到不同I/O引脚的复用功能,这可以针对不同器件封装优化外设I/O功能的数量;例如,可将USART2_TX引脚映射到PA2或PA14引脚上。

4. 配置过程:

— 使用gpio_pin_mux_config()函数将引脚连接到所需的外设复用功能(MUX),例如配置PA0作为TMR1_EXT输入
gpio_pin_mux_config(GPIOA, GPIO_PINS_SOURCE0, GPIO_MUX_4);

— 使用GPIO_Init()函数配置I/O引脚:

- 通过以下方式配置复用功能模式下的所需引脚
gpio_init_struct.gpio_mode = GPIO_MODE_MUX;

- 通过以下成员选择类型、上拉/下拉和驱动力
gpio_out_type、gpio_pull和gpio_drive_strength成员

根据上述配置过程,下面将介绍几种外设的常用配置示例。

USARTI/O复用模式配置

“AT32F421

TMR I/O复用模式配置

“AT32F421

I2C I/O复用模式配置

“AT32F421

来源:AT32 MCU 雅特力科技
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围观 443

HK32F103x/C/D/E是航顺芯片推出的中大容量的103系列芯片,而作为32位MCU最常用功能就是GPIO。HK32F103x的每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL,GPIOx_CRH),两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR 和 GPIOx_ODR),一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR),一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。

每个I/O端口的特定硬件特征,GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。

输入浮空

输入上拉

输入下拉

模拟输入

开漏输出

推挽式输出

推挽式复用功能

开漏复用功能

每个I/O端口位可以自由编程,然而必须按照32位字访问I/O端口寄存器(不允许半字或字节访问)。GPIOx_BSRR 和 GPIOx_BRR 寄存器允许对任何GPIO寄存器进行读/更改的独立访问;这样,在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。每个GPIO管脚都可以由软件配置成输出(推拉或开路)、输入(带或不带上拉或下拉)或其它的外设功能端口。多数 GPIO 管脚都与数字或模拟的外设共用。所有的 GPIO 管脚都有大电流通过能力。在需要的情况下,I/O 管脚的外设功能可以通过一个特定的操作锁定,以避免意外的写入 I/O 寄存器。

下图就是I/O 端口位的基本结构:

“HK32MCU应用笔记(十二)|

5伏兼容 I/O 端口位的基本结构

“HK32MCU应用笔记(十二)|

注意:VDD_FT 对5伏容忍I/O脚是特殊的,它与VDD不同

端口位配置表

“HK32MCU应用笔记(十二)|

输出模式位

“HK32MCU应用笔记(十二)|

单独的位设置或位清除

当对GPIOx_ODR的个别位编程时,软件不需要禁止中断:在单次APB2写操作里,可以只更改一个或多个位。这是通过对“置位/复位寄存器”(GPIOx_BSRR,复位是 GPIOx_BRR)中想要更改的位写’1’来实现的。没被选择的位将不被更改。

复用功能(AF)

使用默认复用功能前必须对端口位配置寄存器编程。

● 对于复用的输入功能,端口必须配置成输入模式(浮空、上拉或下拉)且输入引脚必须由外部驱动

注意:也可以通过软件来模拟复用功能输入引脚,这种模拟可以通过对 GPIO 控制器编程来实现。此时,端口应当被设置为复用功能输出模式。显然,这时相应的引脚不再由外部驱动,而是通过 GPIO 控制器由软件来驱动。

● 对于复用输出功能,端口必须配置成复用功能输出模式(推挽或开漏)。

● 对于双向复用功能,端口位必须配置复用功能输出模式(推挽或开漏)。这时,输入驱动器被配置成浮空输入模式。

如果把端口配置成复用输出功能,则引脚和输出寄存器断开,并和片上外设的输出信号连接。如果软件把一个GPIO脚配置成复用输出功能,但是外设没有被激活,它的输出将不确定。

输入配置

当 I/O 端口配置为输入时:

● 输出缓冲器被禁止

● 施密特触发输入被激活

● 根据输入配置(上拉,下拉或浮动)的不同,弱上拉和下拉电阻被连接

● 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

● 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

输出配置

当 I/O 端口被配置为输出时:

● 输出缓冲器被激活

─ 开漏模式:输出寄存器上的’0’激活 N-MOS,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)。

─ 推挽模式:输出寄存器上的’0’激活 N-MOS,而输出寄存器上的’1’将激活 P-MOS。

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 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

● 在开漏模式时,对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

● 在推挽式模式时,对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值。

复用功能配置

当 I/O 端口被配置为复用功能时:

● 在开漏或推挽式配置中,输出缓冲器被打开

● 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)

● 施密特触发输入被激活

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 在每个APB2时钟周期,出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器

● 开漏模式时,读输入数据寄存器时可得到I/O口状态

● 在推挽模式时,读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值

模拟输入配置

当 I/O 端口被配置为模拟输入配置时:

● 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’

● 弱上拉和下拉电阻被禁止

● 读取输入数据寄存器时数值为’0’

下面就HK32F103xC/D/E在操作上需要应用开发者注意的。

用户在使用HK32F103xC/D/E时,使用软件循环产生定时,用GPIO翻转模拟时序,发现跟友商不一致。这是我们设计跟友商不一样。

解决方法如下:

不开 Cache,HK32F103xCxDxE 效率低一点。

打开 Cache,HK32F103xCxDxE 效率明显提高。

以上有关寄存器的介绍可以参考我们HK的HK32F103xC/D/E的应用手册。

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来源:航顺芯片
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围观 63

GPIO是通用输入/输出端口的简称,是STM32可控制的引脚。GPIO的引脚与外部硬件设备连接,可实现与外部通讯、控制外部硬件或者采集外部硬件数据的功能。

STM32F103ZET6芯片为144脚芯片,包括7个通用目的的输入/输出口(GPIO)组,分别为GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG,同时每组GPIO口组有16个GPIO口。通常简略称为PAx、PBx、PCx、PDx、PEx、PFx、PGx,其中x为0-15。

STM32的大部分引脚除了当GPIO使用之外,还可以复用为外设功能引脚,比如串口。

GPIO基本结构

每个GPIO内部都有这样的一个电路结构,这个结构在本文下面会具体介绍。

“STM32的GPIO电路原理"

保护二极管:IO引脚上下两边两个二极管用于防止引脚外部过高、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。但是尽管如此,还是不能直接外接大功率器件,须加大功率及隔离电路驱动,防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。

P-MOS管和N-MOS管:由P-MOS管和N-MOS管组成的单元电路使得GPIO具有“推挽输出”和“开漏输出”的模式。这里的电路会在下面很详细地分析到。

TTL肖特基触发器:信号经过触发器后,模拟信号转化为0和1的数字信号。但是,当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时,用其“模拟输入”功能,此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。

这里需要注意的是,在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时,会看到有“FT”一列,这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的。如果没有标注“FT”,就代表着不兼容5V。
STM32的GPIO工作方式

GPIO支持的输入输出模式:

  • GPIO_Mode_AIN 模拟输入

  • GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空输入

  • GPIO_Mode_IPD 下拉输入

  • GPIO_Mode_IPU 上拉输入

  • GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出

  • GPIO_Mode_Out_PP 推挽输出

  • GPIO_Mode_AF_OD 复用开漏输出

  • GPIO_Mode_AF_PP 复用推挽输出

每个I/O口可以自由编程,但I/O口寄存器必须按32位字被访问。

下面将具体介绍GPIO的这八种工作方式:

浮空输入模式

“STM32的GPIO电路原理"

浮空输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。也就是说,I/O的电平状态是不确定的,完全由外部输入决定;如果在该引脚悬空(在无信号输入)的情况下,读取该端口的电平是不确定的。

上拉输入模式

“STM32的GPIO电路原理"

上拉输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在高电平;并且在I/O端口输入为低电平的时候,输入端的电平也还是低电平。

下拉输入模式

“STM32的GPIO电路原理"

下拉输入模式下,I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。但是在I/O端口悬空(在无信号输入)的情况下,输入端的电平可以保持在低电平;并且在I/O端口输入为高电平的时候,输入端的电平也还是高电平。

模拟输入模式

“STM32的GPIO电路原理"

模拟输入模式下,I/O端口的模拟信号(电压信号,而非电平信号)直接模拟输入到片上外设模块,比如ADC模块等等。

开漏输出模式

“STM32的GPIO电路原理"

开漏输出模式下,通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经N-MOS管,最终输出到I/O端口。这里要注意N-MOS管,当设置输出的值为高电平的时候,N-MOS管处于关闭状态,此时I/O端口的电平就不会由输出的高低电平决定,而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定;当设置输出的值为低电平的时候,N-MOS管处于开启状态,此时I/O端口的电平就是低电平。同时,I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,I/O端口的电平不一定是输出的电平。

开漏复用输出模式

“STM32的GPIO电路原理"

开漏复用输出模式,与开漏输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源,不是让CPU直接写输出数据寄存器,取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

推挽输出模式

“STM32的GPIO电路原理"

推挽输出模式下,通过设置位设置/清除寄存器或者输出数据寄存器的值,途经P-MOS管和N-MOS管,最终输出到I/O端口。这里要注意P-MOS管和N-MOS管,当设置输出的值为高电平的时候,P-MOS管处于开启状态,N-MOS管处于关闭状态,此时I/O端口的电平就由P-MOS管决定:高电平;当设置输出的值为低电平的时候,P-MOS管处于关闭状态,N-MOS管处于开启状态,此时I/O端口的电平就由N-MOS管决定:低电平。同时,I/O端口的电平也可以通过输入电路进行读取;注意,此时I/O端口的电平一定是输出的电平。

推挽复用输出模式

“STM32的GPIO电路原理"

推挽复用输出模式,与推挽输出模式很是类似。只是输出的高低电平的来源,不是让CPU直接写输出数据寄存器,取而代之利用片上外设模块的复用功能输出来决定的。

总结与分析

什么是推挽结构和推挽电路?

推挽结构一般是指两个参数相同的三极管或MOS管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管或MOS管导通的时候另一个截止。高低电平由输出电平决定。

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时,两只对称的功率开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流,也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力,又提高开关速度。
开漏输出和推挽输出的区别?

开漏输出:只可以输出强低电平,高电平得靠外部电阻拉高。输出端相当于三极管的集电极。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)。

推挽输出:可以输出强高、低电平,连接数字器件。

关于推挽输出和开漏输出,最后用一幅最简单的图形来概括:

“STM32的GPIO电路原理"

该图中左边的便是推挽输出模式,其中比较器输出高电平时下面的PNP三极管截止,而上面NPN三极管导通,输出电平VS+;当比较器输出低电平时则恰恰相反,PNP三极管导通,输出和地相连,为低电平。右边的则可以理解为开漏输出形式,需要接上拉。

在STM32中选用怎样选择I/O模式?

  • 浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入,可以做KEY识别,RX1

  • 带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入

  • 带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入

  • 模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入,或者低功耗下省电

  • 开漏输出_OUT_OD ——IO输出0接GND,IO输出1,悬空,需要外接上拉电阻,才能实现输出高电平。当输出为1时,IO口的状态由上拉电阻拉高电平,但由于是开漏输出模式,这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化,实现C51的IO双向功能

  • 推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND, IO输出1 -接VCC,读输入值是未知的

  • 复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能(I2C的SCL、SDA)

  • 复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能(TX1、MOSI、MISO.SCK.SS)

来源:STM32嵌入式开发
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