第五章 GPIO示例
第五章 GPIO示例
功夫不负有心人，相信学习至此大家已经掌握了基础内容介绍的知识。我们希望通过前面的章节你已经掌握了W55MH32开发的工具和方法。下面我们将和大家一起来学习W55MH32 的一些基础外设，这些外设实际项目中经常会用到，希望大家认真学习和掌握，以便将来更好、更快的完成实际项目开发。
后面我们将采取一章一实例的方式，介绍 W55MH32 常用外设的使用，通过本篇的学习，我们将带领大家进入W55MH32 的精彩世界。
本章将通过一个经典的跑马灯程序，带大家开启 W55MH32之旅。通过本章的学习，我们将了解到 W55MH32的 IO 口作为输出使用的方法。
本章分为如下 4 个小节：
1 W55MH32 GPIO 简介
2 寄存器描述
3 程序设计
4 下载验证
1 W55MH32 GPIO 简介
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(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)。根据数据手册中列出的每个 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。
下图给出了一个 I/O 端口位的基本结构。
GPIO 的基本结构图
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，W55MH32 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，以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。下面看看比较器跟施密特触发器的作用的比较，就清楚的知道施密特触发器对外部输入信号具有一定抗干扰能力，如图所示。
比较器的（A）和施密特触发器（B）作用比较
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。上面我们对 GPIO 的基本结构图中的关键器件做了介绍，下面分别介绍 GPIO 八种工作模式对应结构图的工作情况。
1、输入浮空
输入浮空模式：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情景。
输入浮空模式
2、输入上拉
输入上拉模式：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。
输入上拉模式
3、输入下拉
输入下拉模式：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。
输入下拉模式
4、模拟功能
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。其他外设可以通过模拟通道输入输出。该模式下需要用到芯片内部的模拟电路单元单元，用于 ADC、DAC、MCO 这类操作模拟信号的外设。
模拟功能
5、开漏输出
开漏输出模式：W55MH32 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，常用于 IIC 通讯（IIC_SDA）或其它需要进行电平转换的场景。
开漏输出模式
6、推挽输出
推挽输出模式：W55MH32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①的值为 0，经过“输出控制”取反操作后，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 IO 引脚接到 VSS,即输出低电平。如果输出数据寄存器的值为 1 ，经过“输出控制”取反操作后，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 P-MOS 管就会导通，使得 IO 引脚接到 VDD,即输出高电平。
由上述可知，推挽输出模式下，P-MOS 管和 N-MOS 管同一时间只能有一个管是导通的。当 IO 引脚在做高低电平切换时，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较大的提高。
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。由于推挽输出模式下输出高电平时，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，但是芯片的总电流有限，所以并不建议这样用，最好还是使用芯片外部的电源。
推挽输出模式
7、开漏式复用功能
开漏式复用功能：一个 IO 口可以是通用的 IO 口功能，还可以是其它外设的特殊功能引脚，这就是 IO 口的复用功能，如图所示。一个 IO 口可以是多个外设的功能引脚，我们需要选择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，其它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，我们可以通过输入数据寄存器读取 IO 口的电平状态，同时外设也可以读取 IO 口的信息。
开漏式复用功能
8、推挽式复用功能
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，这里不再赘述。
推挽式复用功能
2 GPIO 寄存器描述
2.1 端口配置低寄存器(GPIOx_CRL)(x=A..G)
2.2 端口配置高寄存器(GPIOx_CRH)(x=A..G)
2.3 端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)(x=A..G)
2.4 端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR)(x=A..G)
2.5 端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)(x=A..G)
2.6 端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)(x=A..G)
2.7 端口配置锁定寄存器(GPIOx_LCKR)(x=A..G)
当执行正确的写序列设置了位 16(LCKK)时，该寄存器用来锁定端口位的配置。位[15:0]用于锁定GPIO 端口的配置。在规定的写入操作期间，不能改变 LCKP[15:0]。当对相应的端口位执行了LOCK 序列后，在下次系统复位之前将不能再更改端口位的配置。
每个锁定位锁定控制寄存器(CRL,CRH)中相应的 4 个位。
3 程序设计
3.1 GPIO_IOInput例程
此代码为一个基于W55MH32的嵌入式程序，主要功能是对 GPIO 输入进行测试，同时配置 UART 串口通信用于输出系统时钟信息和按键按下的提示信息。
主函数main()
int main(void)
{
RCC_ClocksTypeDef clocks;
delay_init();
UART_Configuration(115200);
RCC_GetClocksFreq(&clocks); printf("\n");
printf("SYSCLK: %3.1fMhz, HCLK: %3.1fMhz, PCLK1: %3.1fMhz, PCLK2: %3.1fMhz, ADCCLK: %3.1fMhz\n",
(float)clocks.SYSCLK_Frequency / 1000000, (float)clocks.HCLK_Frequency / 1000000,
(float)clocks.PCLK1_Frequency / 1000000, (float)clocks.PCLK2_Frequency / 1000000, (float)clocks.ADCCLK_Frequency / 1000000);
printf("GPIO IO Input Tset.\n"); GPIO_Configuration(); while (1)
{
}
}- 对延时函数进行初始化。
- 把串口波特率配置为 115200。
- 获取系统时钟频率并输出。
- 配置 GPIO。
- 进入无限循环。
GPIO 配置函数GPIO_Configuration()
void GPIO_Configuration(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN1_TEST;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_SPEED_TEST;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_MODE_TEST;
GPIO_Init(GPIO_GROUP_TEST, &GPIO_InitStructure); GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource1); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line1;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
}- 开启 GPIOA 和 AFIO 的时钟。
- 对 GPIO 引脚进行初始化。
- 把 GPIO 引脚配置为外部中断线。
- 对 NVIC（嵌套向量中断控制器）进行配置。
- 对外部中断进行配置，触发方式为下降沿触发。
UART 配置函数UART_Configuration()
void UART_Configuration(uint32_t bound)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; USART_Init(USART_TEST, &USART_InitStructure);
USART_Cmd(USART_TEST, ENABLE);
}- 开启 USART1 和 GPIOA 的时钟。
- 对 USART1 的发送和接收引脚进行初始化。
- 对 USART1 进行初始化，设置波特率、数据位、停止位等参数。
- 使能 USART1。
外部中断处理函数EXTI1_IRQHandler()
void EXTI1_IRQHandler(void)
{if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) == SET){
delay_ms(10);if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == Bit_SET){
printf("The key is pressed\n");}}
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
}- 当检测到外部中断触发时，进行消抖处理。
- 若按键确实被按下，则通过串口输出提示信息。
- 清除中断标志位。
3.2 GPIO_IOOut例程
- 初始化部分：delay_init()：初始化延时函数。
- UART_Configuration(115200)：配置串口，波特率为 115200。
- RCC_GetClocksFreq(&clocks)：获取系统时钟频率信息，并通过串口打印出来。
- GPIO_Configuration()：配置 GPIOB 的 PB0、PB2、PB3 为推挽输出模式。
- 主循环部分：
以 200ms 为间隔依次将 PB0、PB2、PB3 置高电平，再依次将它们置低电平，循环执行。
while (1){
GPIO_SetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN1_TEST);
printf("LED1 ON\n");
delay_ms(200);
GPIO_SetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN2_TEST);
printf("LED2 ON\n");
delay_ms(200);
GPIO_SetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN3_TEST);
printf("LED3 ON\n");
delay_ms(200);
GPIO_ResetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN1_TEST);
printf("LED1 OFF\n");
delay_ms(200);
GPIO_ResetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN2_TEST);
printf("LED2 OFF\n");
delay_ms(200);
GPIO_ResetBits(GPIO_GROUP_TEST, GPIO_PIN3_TEST);
printf("LED3 OFF\n");
delay_ms(200);}
}4 下载验证
4.1 GPIO_IOInput例程
4.2 GPIO_IOOut例程
