【STM32学习】——GPIO基本结构&位结构&8种工作模式&LED蜂鸣器输出实操&按键传感器输入实操

GPIO——General purpose input output

声明：出现的文字图片参照b站江科大自化协课程学习，但代码为跟着手打，发博客是作为学习笔记也是仅供自我学习纪录，便于自己复习查阅，非商用也禁商用侵权联系必删！！！

一、GPIO简介

GPIO（General Purpose Input Output）通用输入输出口可配置为8种输入输出模式
引脚电平：0V~3.3V，部分引脚可容忍5V
输出模式下可控制端口输出高低电平，用以驱动LED、控制蜂鸣器、模拟通信协议输出时序等
输入模式下可读取端口的高低电平或电压，用于读取按键输入、外接模块电平信号输入、ADC电压采集、模拟通信协议接收数据等

二、GPIO基本结构

在这里插入图片描述

stm32的寄存器为32位，只有低16位用到了PA或PB端口，高16位并未用到，寄存器只用于存储数据，驱动器用以增大驱动能力。

三、GPIO位结构

两个保护二极管分别保证电压过高或过低时引走电流，避免对内部造成损害（正常0-3.3v）；
两个上拉和下拉输入电阻开关，两个都不接通为浮空状态，上拉电阻开关接通为上拉输入，可称作默认为高电平的输入模式，下拉同理，两个电阻都较大，属于弱上拉和弱下拉；
TTL施密特触发器（图片可能翻译有误），可设定上限和下限两个比较阈值，在中间留有波动范围，可有效避免因信号波动造成的输出抖动现象；
经过施密特触发器，即可输入数据寄存器；
输出数据寄存器同时控制16个端口，且只能整体读写，若想对某一位操作，有三种方式。位设置/清除寄存器可对输出数据寄存器的某一端口（位）进行操作；也可以利用C语言或与指令方式；第三种就是读写STM32的“位带”区域，位带的作用与51单片机的位寻址作用差不多，是专门分配的一段地址区域，这段区域映射了RAM和外设寄存器所有的位，读写这段地址中的数据，就相当于读写映射位置的某一位；
P-MOS和N-MOS管是一种电子开关，信号控制开关的导通和关闭，开关负责将IO口接到VDD或VSS，有推挽、开漏或关闭三种输出方式；
推挽输出模式下，P-MOS和N-MOS均有效，数据寄存器为1时，上管导通，下管断开，输出直接接到VDD，就是输出高电平；为0时则相反，接到VSS，就是输出低电平，这种模式下高低电平均有较强的驱动能力，所以该模式也叫强推输出模式，在此模式下STM32对IO口具有绝对控制权，高低电平都由STM32说的算。
开漏输出模式下，P-MOS无效，只有N-MOS工作，数据寄存器为1时，下管断开，这时输出相当于断开也就是高阻模式；为0时，下管导通，输出直接接到VSS，也就是输出低电平，这种模式只有低电平具有驱动能力，高电平没有驱动能力。该模式可作为通信协议的驱动方式，比如IIC总线的引脚就是使用的该模式，在多机通讯的情况下，可避免各个设备的相互干扰；还可用于输出5V电平信号，如在IO口上接一个上拉电阻到5V的电阻，当输出低电平时，由内部的N-MOS直接接VSS，当输出高电平时，由外部的上拉电阻拉高至5V。
关闭状态，当引脚配置为输入模式时，两个MOOS管都无效，也即输出关闭，端口的电平由外部信号控制。

四、GPIO工作模式（8种）

通过配置GPIO的端口配置寄存器，端口可以配置成以下8种模式：

注：输入模式下输出都是关闭的，但输出模式下输入是可以打开的，在这8种模式种，除了模拟输入这个模式会关闭数字的输入功能，其他7种所有的输入都是有效的。

1、浮空/上拉/下拉输入

2、模拟输入

3、开漏/推挽输出

4、复用开漏/推挽输出

以上就是对于GPIO的全部介绍，详细可见芯片手册第八章！！

五、实际操作

这里利用LED和蜂鸣器来进行演示，以下是硬件电路，根据不同输出模式特点可选择合适驱动方式：

1、LED闪烁

//LED闪烁代码演示
#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"       //延时函数头文件
//此项目涉及RCC和GPIO两个外设，前期可在Library组下打开相关文件
//了解对应外设常使用的外设库函数以及其参数定义
//结构体参数需要在函数上面先定义结构体名，如GPIO——Init的第二个参数(结构体地址）
//然后需要对结构体的每一项进行配置，右键跳转到定义，若遇到多个定义选择带member的，若是转到注释处可ctrl+f寻找下一项
int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;//选择推挽输出模式即Out_PP
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	//GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//LED点亮（低电平驱动接法）
	//GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//LED熄灭
	//GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_RESET);//点亮
	//GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET);//熄灭
	while(1){
		//实现LED闪烁效果，也可用其他函数实现
		GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_RESET);
		Delay_ms(500);
		GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET);
		Delay_ms(500);
	}
}

2、LED流水灯

在这里插入图片描述

//LED流水灯代码演示
#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"       
int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;//选择推挽输出模式即Out_PP
	//GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 |GPIO_Pin_2 ;//利用|一次性初始化多个端口
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_All;//直接用All初始化所有端口
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	while(1){
		//实现LED流水灯,可用循环和移位优化代码，8个等按顺序点亮
		//甚至可以定义一个数组依次给第二个参数位置实现花式点灯
		GPIO_Write(GPIOA,~0x0001);//低电平点亮，加取反~符号，第一个灯点亮
		Delay_ms(500);
		GPIO_Write(GPIOA,~0x0002);
		Delay_ms(500);
		GPIO_Write(GPIOA,~0x0004);
		Delay_ms(500);
		GPIO_Write(GPIOA,~0x0008);
		Delay_ms(500);
		GPIO_Write(GPIOA,~0x0010);
		Delay_ms(500);
		GPIO_Write(GPIOA,~0x0020);
		Delay_ms(500);
		GPIO_Write(GPIOA,~0x0040);
		Delay_ms(500);
		GPIO_Write(GPIOA,~0x0080);
		Delay_ms(500);
	}
}

3、蜂鸣器

在这里插入图片描述

原则上选择哪个端口都行，此处为PB12，但是PA15、PB3、PB4三个口默认为JTAG的调试端口，如果要作为普通端口还需要一些配置，一般不作为首选，端口输出低电平蜂鸣器响，高电平不响。

#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"   
//库函数的使用除了转到定义查看，也可参考ST官网库函数文档
int main(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;//选择推挽输出模式即Out_PP
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;//PB12所以配12
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);//PB12所以配GPIOB
	while(1){
		GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);//响
		Delay_ms(500);
		GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);//不响
		Delay_ms(500);
	}
}

六、GPIO输入实操

1、拓展知识

（1）按键：常见的输入设备，按下导通，松手断开

按键抖动：由于按键内部使用的是机械式弹簧片来进行通断的，所以在按下和松手的瞬间会伴随有一连串的抖动，最简单的方法是加一段延时

在这里插入图片描述

（2）传感器模块

：传感器元件（光敏电阻/热敏电阻/红外接收管等）的电阻会随外界模拟量的变化而变化，通过与定值电阻分压即可得到模拟电压输出，再通过电压比较器进行二值化即可得到数字电压输出。电路中一般有电容的部分为滤波稳定等辅助作用，分析时可以抓准主体。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

（3）蜂鸣器与传感器硬件电路

上两种接法按下按键为低电平，松手为高电平，其中上左需要上拉输入模式，上右需要配置为上拉或浮空输入模式；下两种与之相反。一般用上面两种接法。

传感器接法

如下：

在这里插入图片描述

2、GPIO输入实操

（1）按键控制LED

模块化编程：将硬件驱动代码放在Hardware文件夹中（同样需要在工程目录下添加同名组，在组里添加.c、.h文件时路径要与Hardware文件夹路径一致）；最后还需要在魔术棒C/C++菜单下添加新路径Harware！！

Hardware里有LED.c、LED.h、key.h、key.c四个文件！！

按键模块配置的时GPIO的输入，LED模块配置的时GPIO的输出！！

在这里插入图片描述

//Hardware文件下LED.c驱动模块
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
void LED_Init(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;//选择推挽输出模式即Out_PP
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1| GPIO_Pin_2;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//配置好默认就是输出低电平
	
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2);//置为高电平，LED熄灭
	
}
//这里用了四个函数，属于最基础的，
//可以优化比如设置两个函数参数一个用于选择哪个灯，一个用于选择熄灭还是打开
void LED1_ON(void){
	GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);
}

void LED1_OFF(void){
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);
}

void LED1_Turn(void){//取反函数，辅助实现按下点亮再按下熄灭
	if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1) == 0){//该函数读取PA1端口状态
		GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);//如果状态为0，则置1
	}
	else{
		GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);//如果状态为1，则置0，达到电平反转功能
	}
}
void LED2_ON(void){
	GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);
}

void LED2_OFF(void){
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);
}

void LED2_Turn(void){//取反函数，实现按下点亮再按下熄灭
	if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_2) == 0){//该函数读取PA2端口状态
		GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);//如果状态为0，则置1
	}
	else{
		GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);//如果状态为1，则置0，达到电平反转功能
	}
}

//LED.h头文件
#ifndef __LED_H
#define __LED_H
void LED_Init(void);
void LED1_ON(void);
void LED1_OFF(void);
void LED1_Turn(void);
void LED2_ON(void);
void LED2_OFF(void);
void LED2_Turn(void);
#endif

//key.c按键驱动模块
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
void Key_Init(){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU ;//选择上拉输入模式即IPU
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1| GPIO_Pin_11;//选择对应端口
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
}

uint8_t Key_GetNum(void){//uint8_t为unsigned char的别名
	uint8_t KeyNum = 0;//不按默认端口1与11返回0
	//下面就要用到读取GPIO端口的功能了
	if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_1)==0){//若按下端口PB1返回1
		Delay_ms(20);//按下按键抖动时间
		while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_1)==0);//如果按键一直按下则一直卡在这里
		Delay_ms(20);//松开按键抖动时间
		KeyNum=1;
	}
	if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_11)==0){//若按下端口PB11返回2
		Delay_ms(20);//按下按键抖动时间
		while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_11)==0);//如果按键一直按下则一直卡在这里
		Delay_ms(20);//松开按键抖动时间
		KeyNum=2;
	}
	
	return KeyNum;
}

//key.h头文件
#ifndef __KEY_H
#define __KEY_H
void Key_Init();
uint8_t Key_GetNum(void);
#endif

//main.c主函数，这里放在了User文件夹（组）下
#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"   
#include "LED.h"
#include "key.h"

uint8_t KeyNum;//定义一个全局变量用于存键码的返回值，与key.c里的KeyNum不是一个变量


int main(void){
	LED_Init();
	Key_Init();
	while(1){
		KeyNum = Key_GetNum();
		if (KeyNum == 1){
			LED1_Turn();
		}
		if (KeyNum == 2){
			LED2_Turn();
		}
	}
}
//最终效果：按下按键1，LED1点亮，再次按下熄灭；按下按键2，LED2点亮，再次按下熄灭.

（2）光敏传感器控制蜂鸣器

在这里插入图片描述

Hardware里有Buzzer.c、Buzzer.h、LightSensor.h、LightSensor.c四个文件！！

//Buzzer.c蜂鸣器驱动模块
//与LED.c相似，直接根据硬件电路在其lED代码上进行微改
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
void Buzzer_Init(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;//选择推挽输出模式即Out_PP
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_12);
	
}

void Buzzer_ON(void){
	GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
}

void Buzzer_OFF(void){
	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
}

void Buzzer_Turn(void){
	if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_12) == 0){
		GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
	}
	else{
		GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12);
	}
}

//Buzzer.h头文件
#ifndef __BUZZER_H
#define __BUZZER_H
void Buzzer_Init(void);
void Buzzer_ON(void);
void Buzzer_OFF(void);
void Buzzer_Turn(void);

#endif

//LightSensor.c光敏电阻输入配置模块
//初始化与按键模块的代码相似，因为其作用相似（都为GPIO输入），可直接在key.c基础上修改
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
void LightSensor_Init(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU ;//选择上拉输入模式即IPU
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;//选择对应端口
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
}

uint8_t LightSensor_Get(void){
	return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_13);//此处相对于按键更简单
}

//LightSensor.h头文件
#ifndef __LIGHT_SENSOR_H
#define __LIGHT_SENSOR_H
void LightSensor_Init(void);
uint8_t LightSensor_Get(void);


#endif

//main.c主函数
#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"   
#include "Buzzer.h"
#include "LightSensor.h"
int main(void){
	Buzzer_Init();
	LightSensor_Init();
	while(1){
		if (LightSensor_Get() == 1){//遮住光敏电阻
			Buzzer_ON();
		}
		else{
			Buzzer_OFF();
		}
	}
}
//最终效果，遮住光敏电阻，蜂鸣器响；放开不响

在这里插入图片描述

以上就是对于GPIO输出/输入的学习纪录，欢迎一起交流！！

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_51658186/article/details/129464511

GPIO——General purpose input output

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