05. 通用GPIO
一、GPIO概述
GPIO 是控制或者采集外部器件的信息的外设，即负责输入输出。它按组分配存在，每组最多 16 个 IO 口，组数视芯片而定。比如：STM32F407ZGT6 芯片是 144 脚的芯片，分为 7 组，分别是：GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF 和 GPIOG，其中共有 112 个 IO 口可供我们编程使用。
STM32F407 的绝大部分 IO 口，都兼容 5V，至于到底哪些是兼容 5V 的，请看 STM32F407ZG 的数据手册（注意是数据手册，不是中文参考手册），见表 5 大容量 STM32F40xxx 引脚定义，凡是有 FT 标志的，都是兼容 5V 电平的 IO 口，可以直接接 5V 的外设（注意：如果引脚设置的是模拟输入模式，则不能接 5V！)，凡是不带 FT 标志的，就建议大家不要接 5V 了，可能烧坏 MCU。
二、GPIO基本结构
如上图所示，可以看到右边只有 I/O 引脚，这个 I/O 引脚就是我们可以看到的芯片实物的引脚，其他部分都是 GPIO 的内部结构。
【1】、保护二极管
保护二极管共有两个，用于保护引脚外部过高或过低的电压输入。当引脚输入电压高于 VDD 时，上面的二极管导通，当引脚输入电压低于 VSS 时，下面的二极管导通，从而使输入芯片内部的电压处于比较稳定的值。
虽然有二极管的保护，但这样的保护却很有限，大电压大电流的接入很容易烧坏芯片。所以在实际的设计中我们要考虑设计引脚的保护电路。
【2】、上拉、下拉电阻
它们阻值大概在 30~50K 欧之间，可以通过上、下两个对应的开关控制，这两个开关由寄存器控制
当引脚外部的器件没有干扰引脚的电压时，即没有外部的上、下拉电压，引脚的电平由引脚内部上、下拉决定，开启内部上拉电阻工作，引脚电平为高，开启内部下拉电阻工作，则引脚电平为低。同样，如果内部上、下拉电阻都不开启，这种情况就是我们所说的浮空模式。
浮空模式下，引脚的电平是不可确定的。引脚的电平可以由外部的上、下拉电平决定。需要注意的是，STM32 的内部上拉是一种“弱上拉”，这样的上拉电流很弱，如果有要求大电流还是得外部上拉。
【3】、施密特触发器
对于标准施密特触发器，当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；当输入在正负向阈值电压之间，输出不改变，也就是说输出由高电准位翻转为低电准位，或是由低电准位翻转为高电准位对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为迟滞现象，表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说，施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。
施密特触发器可作为波形整形电路，能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由于施密特触发器具有滞回特性，所以可用于抗干扰，其应用包括在开回路配置中用于抗扰，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。
【4】、P-MOS 管和 N-MOS 管
这个结构控制 GPIO 的开漏输出和推挽输出两种模式。开漏输出：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。推挽输出：这两只对称的 MOS 管每次只有一只导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载拉电流。推拉式输出既能提高电路的负载能力，又能提高开关速度。
三、GPIO工作模式
3.1、输入浮空
上拉/下拉电阻为断开状态，施密特触发器打开，输出被禁止。输入浮空模式下，IO 口的电平完全是由外部电路决定。如果 IO 引脚没有连接其他的设备，那么检测其输入电平是不确定的。该模式可以用于按键检测等场景。
空闲时，IO 状态是不确定的，由外部环境决定；
3.2、输入上拉
上拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部上拉电阻的时候，可以使用内部上拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”，不适合做电流型驱动。
空闲时，IO 呈现高电平；
3.3、输入下拉
下拉电阻导通，施密特触发器打开，输出被禁止。在需要外部下拉电阻的时候，可以使用内部下拉电阻，这样可以节省一个外部电阻，但是内部下拉电阻的阻值较大，所以不适合做电流型驱动。
空闲时，IO 呈现低电平；
3.4、模拟功能
上下拉电阻断开，施密特触发器关闭，双 MOS 管也关闭。该模式用于 ADC 采集或者 DAC 输出，或者低功耗下省电。
专门用于模拟信号输入或输出，如 ADC 和 DAC；
3.5、开漏输出
STM32 的开漏输出模式是数字电路输出的一种，从结果上看它只能输出低电平 VSS 或者高阻态。
开漏模式下，P-MOS 管是一直截止的，所以 P-MOS 管的栅极一直接 VSS。如果输出数据寄存器设置为 0 时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑 1 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会导通，使得 I/O 引脚接到 VSS，即输出低电平。
如果输出数据寄存器设置为 1 时，经过“输出控制器”的逻辑非操作后，输出逻辑 0 到 NMOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会截止。因为 P-MOS 管是一直截止的，使得 I/O 引脚呈现高阻态，即不输出低电平，也不输出高电平。因此要 I/O 引脚输出高电平就必须接上拉电阻。这时可以接内部上拉电阻，或者接一个外部上拉电阻。由于内部上拉电阻的阻值较大，所以只是“弱上拉”。需要大电流驱动，请接外部的上拉电阻。
此外，上拉电阻具有线与特性，即如果有很多开漏模式的引脚连在一起的时候，只有当所有引脚都输出高阻态，电平才为 1，只要有其中一个为低电平时，就等于接地，使得整条线路都为低电平 0。
另外在开漏输出模式下，施密特触发器是打开的，所以 IO 口引脚的电平状态会被采集到输入数据寄存器中，如果对输入数据寄存器进行读访问可以得到 IO 口的状态。也就是说开漏输出模式下，我们可以对 IO 口进行读数据。
不能暑促高电平，必须有外部（或内部）上拉才能输出高电平；
3.6、推挽输出
STM32 的推挽输出模式，从结果上看它会输出低电平 VSS 或者高电平 VDD。推挽输出跟开漏输出不同的是，推挽输出模式 P-MOS 管和 N-MOS 管都用上。
如果输出数据寄存器设置为 0 时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑 1 到 P-MOS 管的栅极，这时 P-MOS 管就会截止，同时也会输出逻辑 1 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会导通，使得 I/O 引脚接到 VSS，即输出低电平。
如果输出数据寄存器设置为 1 时，经过“输出控制”的逻辑非操作后，输出逻辑 0 到 N-MOS 管的栅极，这时 N-MOS 管就会截止，同时也会输出逻辑 0 到 P-MOS 管的栅极，这时 PMOS 管就会导通，使得 I/O 引脚接到 VDD，即输出高电平。
推挽输出模式下，P-MOS 管和 N-MOS 管同一时间只能有一个 MOS管是导通的。当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都有很大的提高。
另外在推挽输出模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO 口的电平状态。由于推挽输出模式输出高电平时，是直接连接 VDD ，所以驱动能力较强，可以做电流型驱动，驱动电流最大可达 25mA。该模式也是最常用的输出模式。
可输出高低电平，驱动能力强；
3.7、开漏式复用功能
一个 IO 口可以是通用的 IO 口功能，还可以是其他外设的特殊功能引脚，这就是 IO 口的复用功能。一个 IO 口可以是多个外设的功能引脚，我们需要选择作为其中一个外设的功能引脚。当选择复用功能时，引脚的状态是由对应的外设控制，而不是输出数据寄存器。除了复用功能外，其他的结构分析请参考开漏输出模式。
另外在开漏式复用功能模式下，施密特触发器也是打开的，我们可以读取 IO 口的电平状态，同时外设可以读取 IO 口的信息。
不能输出高电平，必须有外部（或内部）上拉才能输出高电平，由其它外设控制输出；
3.8、推挽式复用功能
复用功能介绍请查看开漏式复用功能，结构分析请参考推挽输出模式。
可输出高电平，驱动能力强，由其它外设控制输出；
四、GPIO常用寄存器
STM32F4 每组（这里是 A~I）通用 GPIO 口有 7 个 32 位寄存器控制，包括 ：
- 4 个 32 位配置寄存器（MODER、OTYPER、OSPEEDR 和 PUPDR）
- 2 个 32 位数据寄存器（IDR 和 ODR）
- 1 个 32 位置位/复位寄存器 (BSRR)
- 1 个 32 位锁定寄存器 (LCKR)
- 2 个 32 位复用功能选择寄存器（AFRH 和 AFRL）
4.1、GPIO端口模式寄存器
该寄存器是 GPIO 口模式控制寄存器，用于控制 GPIOx（STM32F4 最多有 9 组 IO，用大写字母表示，即 x=A/B/C/D/E/F/G/H/I，下同）的工作模式，寄存器描述如下图所示。
4.2、GPIO端口输出类型寄存器
该寄存器用于控制 GPIOx 的输出类型，寄存器描述如下图所示。
该寄存器仅用于输出模式，在输入模式（MODER[1:0]=00/11 时）下不起作用。该寄存器低16 位有效，每一个位控制一个 IO 口，复位后，该寄存器值均为 0，也就是在输出模式下 IO 口默认为推挽输出。
4.3、GPIO端口输出速度寄存器
该寄存器仅用于输出模式，在输入模式（MODER[1:0]=00/11 时）下不起作用。该寄存器低16 位有效，每两个位控制一个 IO 口。
4.4、GPIO端口上拉/下拉寄存器
该寄存器用于控制 GPIOx 的上拉/下拉，寄存器描述如下图所示。
该寄存器每两个位控制一个 IO 口，用于设置上下拉，复位后，该寄存器值一般为 0，即无上拉或下拉。
4.5、GPIO端口输入数据寄存器
该寄存器用于获取 GPIOx 的输入高低电平，寄存器描述如下图所示。
该寄存器低 16 位有效，分别对应每一组 GPIO 的 16 个引脚。当 CPU 访问该寄存器，如果对应的某位为 0（IDRy=0），则说明该 IO 口输入的是低电平，如果是 1（IDRy=1），则表示输入的是高电平，y=0~15。
4.6、GPIO端口输出数据寄存器
该寄存器低 16 位有效，分别对应每一组 GPIO 的 16 个引脚。当 CPU 写访问该寄存器，如果对应的某位写 0(ODRy=0)，则表示设置该 IO 口输出的是低电平，如果写 1(ODRy=1)，则表示设置该 IO 口输出的是高电平，y=0~15。
除了 ODR 寄存器，还有一个寄存器也是用于控制 GPIO 输出的，它就是 BSRR 寄存器。
4.7、GPIO端口置位/复位寄存器
该寄存器也用于控制 GPIOx 的输出高电平或者低电平，寄存器描述如下图所示。
为什么有了 ODR 寄存器，还要这个 BDRR 寄存器呢？这是因为 BSRR 寄存器是只写权限，而 ODR 寄存器是可读可写权限。
BSRR 寄存器 32 位有效，对于低 16 位（0-15），我们往相应的位写 1（BSy=1），那么对应的 IO 口会输出高电平，往相应的位写 0（BSy=0），对 IO 口没有任何影响，高 16 位（16-31）作用刚好相反，对相应的位写 1（BRy=1）会输出低电平，写 0（BRy=0）没有任何影响，y=0~15。也就是说，对于 BSRR 寄存器，你写 0 的话，对 IO 口电平是没有任何影响的。我们要设置某个 IO 口电平，只需要相关位设置为 1 即可。
ODR 寄存器，我们要设置某个 IO 口电平，我们首先需要读出来 ODR 寄存器的值，然后对整个 ODR 寄存器重新赋值来达到设置某个或者某些 IO 口的目的。
BSRR 寄存器还有一个好处，就是 BSRR 寄存器改变引脚状态的时候，不会被中断打断，而 ODR 寄存器有被中断打断的风险。
五、GPIO配置步骤
5.1、使能时钟
有关使能 GPIO 时钟的宏定义代码定义在 stm32f4xx_hal_rcc.h 和 stm32f4xx_hal_rcc_ex.h 头文件中。
#define __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOAEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOAEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOBEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOBEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOCEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOCEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOHEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOHEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIODEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIODEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOEEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOEEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOFEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOFEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOGEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOGEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOI_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOIEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOIEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
5.2、设置工作模式
HAL 库中，提供 HAL_GPIO_Init() 函数用于配置 GPIO 功能模式，初始化 GPIO。我们还可以设置 EXTI 功能。该函数的声明如下：
void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);
该函数的第一个形参 GPIOx 用来指定端口号，可选值如下：
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
#define GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)
#define GPIOI ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE)
第二个参数是 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体变量，用来设置 GPIO 的工作模式，其定义如下：
typedef struct
{
uint32_t Pin; // 引脚号
uint32_t Mode; // 模式设置
uint32_t Pull; // 上下拉设置
uint32_t Speed; // 速度设置
uint32_t Alternate; // 复用功能设置
}GPIO_InitTypeDef;
成员 Pin 表示 引脚号，范围：GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15，另外还有 GPIO_PIN_All 和GPIO_PIN_MASK 可选。
#define GPIO_PIN_0 ((uint16_t)0x0001) /* Pin 0 selected */
#define GPIO_PIN_1 ((uint16_t)0x0002) /* Pin 1 selected */
#define GPIO_PIN_2 ((uint16_t)0x0004) /* Pin 2 selected */
#define GPIO_PIN_3 ((uint16_t)0x0008) /* Pin 3 selected */
#define GPIO_PIN_4 ((uint16_t)0x0010) /* Pin 4 selected */
#define GPIO_PIN_5 ((uint16_t)0x0020) /* Pin 5 selected */
#define GPIO_PIN_6 ((uint16_t)0x0040) /* Pin 6 selected */
#define GPIO_PIN_7 ((uint16_t)0x0080) /* Pin 7 selected */
#define GPIO_PIN_8 ((uint16_t)0x0100) /* Pin 8 selected */
#define GPIO_PIN_9 ((uint16_t)0x0200) /* Pin 9 selected */
#define GPIO_PIN_10 ((uint16_t)0x0400) /* Pin 10 selected */
#define GPIO_PIN_11 ((uint16_t)0x0800) /* Pin 11 selected */
#define GPIO_PIN_12 ((uint16_t)0x1000) /* Pin 12 selected */
#define GPIO_PIN_13 ((uint16_t)0x2000) /* Pin 13 selected */
#define GPIO_PIN_14 ((uint16_t)0x4000) /* Pin 14 selected */
#define GPIO_PIN_15 ((uint16_t)0x8000) /* Pin 15 selected */
#define GPIO_PIN_All ((uint16_t)0xFFFF) /* All pins selected */
#define GPIO_PIN_MASK 0x0000FFFFU /* PIN mask for assert test */
成员 Mode 是 GPIO 的 模式选择，有以下选择项：
#define GPIO_MODE_INPUT 0x00000000U // 输入模式
#define GPIO_MODE_OUTPUT_PP 0x00000001U // 推挽模式
#define GPIO_MODE_OUTPUT_OD 0x00000011U // 开漏模式
#define GPIO_MODE_AF_PP 0x00000002U // 推挽式复用
#define GPIO_MODE_AF_OD 0x00000012U // 开漏式复用
#define GPIO_MODE_ANALOG 0x00000003U // 模拟模式
#define GPIO_MODE_IT_RISING 0x10110000U // 外部中断，上升沿触发检测
#define GPIO_MODE_IT_FALLING 0x10210000U // 外部中断，下降沿触发检测
#define GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING 0x10310000U // 外部中断，双边沿触发检测
#define GPIO_MODE_EVT_RISING 0x10120000U // 外部事件，上升沿触发检测
#define GPIO_MODE_EVT_FALLING 0x10220000U // 外部事件，下降沿触发检测
#define GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING 0x10320000U // 外部事件，双边沿触发检测
成员 Pull 用于 配置上下拉电阻，有以下选择项：
#define GPIO_NOPULL 0x00000000U // 无上下拉
#define GPIO_PULLUP 0x00000001U // 上拉
#define GPIO_PULLDOWN 0x00000002U // 下拉
成员 Speed 用于 配置 GPIO 的速度，有以下选择项：
#define GPIO_SPEED_FREQ_LOW 0x00000000U // 低速
#define GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM 0x00000001U // 中速
#define GPIO_SPEED_FREQ_HIGH 0x00000002U // 高速
#define GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH 0x00000003U // 极速
成员 Alternate 用于 配置具体的复用功能，不同的 GPIO 口可以复用的功能不同，具体可参考数据手册。
5.3、配置输出状态
我们可以通过 HAL 库提供的 HAL_GPIO_WritePin() 函数配置引脚输出高电平或者低电平，通过 BSRR 寄存器复位或者置位操作。它的声明如下：
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState);
第一个参数是 端口号，可以选择范围：GPIOA~GPIOG。
第二个参数是 引脚号，可以选择范围：GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。
第三个参数是要设置 输出的状态，是枚举型，可选值如下：
typedef enum
{
GPIO_PIN_RESET = 0, // 低电平
GPIO_PIN_SET // 高电平
}GPIO_PinState;
我们还可以通过 HAL 库的 HAL_GPIO_TogglePin() 函数设置引脚的电平翻转，也是通过 BSRR 寄存器复位或者置位操作。其声明如下：
void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
第一个参数是 端口号，可以选择范围：GPIOA~GPIOG。
第二个参数是 引脚号，可以选择范围：GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。
5.4、读取输入状态
我们可以通过 HAL 库的 HAL_GPIO_ReadPin() 函数读取 GPIO 引脚状态，通过 IDR 寄存器读取。其声明如下：
GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);
第一个参数是 端口号，可以选择范围：GPIOA~GPIOG。
第二个参数是 引脚号，可以选择范围：GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。
该函数的返回值是 引脚状态值，是枚举型有两个选择：GPIO_PIN_SET 表示 高电平，GPIO_PIN_RESET 表示 低电平。
