GD32F130FXP6學習筆記三：ARM的GPIO初識
最近在看資料手冊的時候，發現在Cortex-M3裡，對於GPIO的配置種類有8種之多：
（1）GPIO_Mode_AIN 模擬輸入
（2）GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入
（3）GPIO_Mode_IPD 下拉輸入
（4）GPIO_Mode_IPU 上拉輸入
（5）GPIO_Mode_Out_OD 開漏輸出
（6）GPIO_Mode_Out_PP 推輓輸出
（7）GPIO_Mode_AF_OD 複用開漏輸出
（8）GPIO_Mode_AF_PP 複用推輓輸出
對於剛入門的新手，我想這幾個概念是必須得搞清楚的，平時接觸的最多的也就是推輓輸出、開漏輸出、上拉輸入這三種，但一直未曾對這些做過歸納。因此，在這裡做一個總結：
推輓輸出:可以輸出高,低電平,連線數字器件; 推輓結構一般是指兩個三極體分別受兩互補訊號的控制,總是在一個三極體導通的時候另一個截止。高低電平由IC的電源低定。
推輓電路是兩個引數相同的三極體或MOSFET,以推輓方式存在於電路中,各負責正負半周的波形放大任務,電路工作時，兩隻對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高。輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。
詳細理解：
如圖所示，推輓放大器的輸出級有兩個“臂”（兩組放大元件），一個“臂”的電流增加時，另一個“臂”的電流則減小，二者的狀態輪流轉換。對負載而言，好像是一個“臂”在推，一個“臂”在拉，共同完成電流輸出任務。當輸出高電平時，也就是下級負載門輸入高電平時，輸出端的電流將是下級門從本級電源經VT3拉出。這樣一來，輸出高低電平時，VT3
一路和 VT5 一路將交替工作，從而減低了功耗，提高了每個管的承受能力。又由於不論走哪一路，管子導通電阻都很小，使RC常數很小，轉變速度很快。因此，推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。
開漏輸出:輸出端相當於三極體的集電極. 要得到高電平狀態需要上拉電阻才行. 適合於做電流型的驅動,其吸收電流的能力相對強(一般20ma以內).
開漏形式的電路有以下幾個特點：
1.利用外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時，驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ，MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流。
2.一般來說，開漏是用來連線不同電平的器件，匹配電平用的，因為開漏引腳不連線外部的上拉電阻時，只能輸出低電平，如果需要同時具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻，很好的一個優點是通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平。比如加上上拉電阻就可以提供TTL/CMOS電平輸出等。（上拉電阻的阻值決定了邏輯電平轉換的沿的速度。阻值越大，速度越低功耗越小，所以負載電阻的選擇要兼顧功耗和速度。）
3.OPEN-DRAIN提供了靈活的輸出方式，但是也有其弱點，就是帶來上升沿的延時。因為上升沿是通過外接上拉無源電阻對負載充電，所以當電阻選擇小時延時就小，但功耗大；反之延時大功耗小。所以如果對延時有要求，則建議用下降沿輸出。
4.可以將多個開漏輸出的Pin，連線到一條線上。通過一隻上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，形成“與邏輯”關係。這也是I2C，SMBus等匯流排判斷匯流排佔用狀態的原理。補充：什麼是“線與”？：
在一個結點(線)上,連線一個上拉電阻到電源VCC或VDD和n個NPN或NMOS電晶體的集電極C或漏極D,這些電晶體的發射極E或源極S都接到地線上,只要有一個電晶體飽和,這個結點(線)就被拉到地線電平上.因為這些電晶體的基極注入電流(NPN)或柵極加上高電平(NMOS),電晶體就會飽和,所以這些基極或柵極對這個結點(線)的關係是或非NOR邏輯.如果這個結點後面加一個反相器,就是或OR邏輯.
其實可以簡單的理解為：在所有引腳連在一起時，外接一上拉電阻，如果有一個引腳輸出為邏輯0，相當於接地，與之並聯的迴路“相當於被一根導線短路”，所以外電路邏輯電平便為0，只有都為高電平時，與的結果才為邏輯1。
關於推輓輸出和開漏輸出，最後用一幅最簡單的圖形來概括：
該圖中左邊的便是推輓輸出模式，其中比較器輸出高電平時下面的PNP三極體截止，而上面NPN三極體導通，輸出電平VS+；當比較器輸出低電平時則恰恰相反，PNP三極體導通，輸出和地相連，為低電平。右邊的則可以理解為開漏輸出形式，需要接上拉。
浮空輸入：對於浮空輸入，一直沒找到很權威的解釋，只好從以下圖中去理解了
由於浮空輸入一般多用於外部按鍵輸入，結合圖上的輸入部分電路，我理解為浮空輸入狀態下，IO的電平狀態是不確定的，完全由外部輸入決定，如果在該引腳懸空的情況下，讀取該埠的電平是不確定的。
上拉輸入/下拉輸入/模擬輸入：這幾個概念很好理解，從字面便能輕易讀懂。
複用開漏輸出、複用推輓輸出：可以理解為GPIO口被用作第二功能時的配置情況（即並非作為通用IO口使用）
最後總結下使用情況：
在STM32中選用IO模式
（1） 浮空輸入_IN_FLOATING ——浮空輸入，可以做KEY識別，RX1
（2）帶上拉輸入_IPU——IO內部上拉電阻輸入
（3）帶下拉輸入_IPD—— IO內部下拉電阻輸入
（4） 模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電
（5）開漏輸出_OUT_OD ——IO輸出0接GND，IO輸出1，懸空，需要外接上拉電阻，才能實現輸出高電平。當輸出為1時，IO口的狀態由上拉電阻拉高電平，但由於是開漏輸出模式，這樣IO口也就可以由外部電路改變為低電平或不變。可以讀IO輸入電平變化，實現C51的IO雙向功能
（6）推輓輸出_OUT_PP ——IO輸出0-接GND， IO輸出1 -接VCC，讀輸入值是未知的
（7）複用功能的推輓輸出_AF_PP ——片內外設功能（I2C的SCL,SDA）
（8）複用功能的開漏輸出_AF_OD——片內外設功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
STM32設定例項：
（1）模擬I2C使用開漏輸出_OUT_OD，接上拉電阻，能夠正確輸出0和1；讀值時先GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0)；拉高，然後可以讀IO的值；使用GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)；
（2）如果是無上拉電阻，IO預設是高電平；需要讀取IO的值，可以使用帶上拉輸入_IPU和浮空輸入_IN_FLOATING和開漏輸出_OUT_OD；
通常有5種方式使用某個引腳功能，它們的配置方式如下：
1）作為普通GPIO輸入：根據需要配置該引腳為浮空輸入、帶弱上拉輸入或帶弱下拉輸入，同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模組。
2）作為普通GPIO輸出：根據需要配置該引腳為推輓輸出或開漏輸出，同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模組。
3）作為普通模擬輸入：配置該引腳為模擬輸入模式，同時不要使能該引腳對應的所有複用功能模組。
4）作為內建外設的輸入：根據需要配置該引腳為浮空輸入、帶弱上拉輸入或帶弱下拉輸入，同時使能該引腳對應的某個複用功能模組。
5）作為內建外設的輸出：根據需要配置該引腳為複用推輓輸出或複用開漏輸出，同時使能該引腳對應的所有複用功能模組。
注意如果有多個複用功能模組對應同一個引腳，只能使能其中之一，其它模組保持非使能狀態。
比如要使用STM32F103VBT6的47、48腳的USART3功能，則需要配置47腳為複用推輓輸出或複用開漏輸出，配置48腳為某種輸入模式，同時使能USART3並保持I2C2的非使能狀態。
如果要使用STM32F103VBT6的47腳作為TIM2_CH3，則需要對TIM2進行重對映，然後再按複用功能的方式配置對應引腳。
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一、GPIO模式配置
1、輸入/輸出模式（參考stm32手冊）
2、GPIO輸出模式下，幾種速度的區別：
(1). GPIO 引腳速度： GPIO_Speed_2MHz (10MHz, 50MHz) ;
又稱輸出驅動電路的響應速度：（晶片內部在I/O口的輸出部分安排了多個響應速度不同的輸出驅動電路，使用者可以根據自己的需要選擇合適的驅動電路，通過選擇速度來選擇不同的輸出驅動模組，達到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。）
可理解為: 輸出驅動電路的頻寬：即一個驅動電路可以不失真地通過訊號的最大頻率。
(如果一個訊號的頻率超過了驅動電路的響應速度，就有可能訊號失真。失真因素？)
如果訊號頻率為10MHz，而你配置了2MHz的頻寬，則10MHz的方波很可能就變成了正弦波。就好比是公路的設計時速，汽車速度低於設計時速時，可以平穩地執行，如果超過設計時速就會顛簸，甚至翻車。
關鍵是： GPIO的引腳速度跟應用相匹配，速度配置越高，噪聲越大，功耗越大。
頻寬速度高的驅動器耗電大、噪聲也大，頻寬低的驅動器耗電小、噪聲也小。使用合適的驅動器可以降低功耗和噪聲
比如：高頻的驅動電路，噪聲也高，當不需要高的輸出頻率時，請選用低頻驅動電路，這樣非常有利於提高系統的EMI效能。當然如果要輸出較高頻率的訊號，但卻選用了較低頻率的驅動模組，很可能會得到失真的輸出訊號。關鍵是GPIO的引腳速度跟應用匹配（推薦10倍以上？）。
比如：
① USART串列埠，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就夠了，既省電也噪聲小。
② I2C介面，若使用400k波特率，若想把餘量留大些，可以選用10M的GPIO引腳速度。
③ SPI介面，若使用18M或9M波特率，需要選用50M的GPIO的引腳速度。
(2). GPIO的翻轉速度指：輸入/輸出暫存器的0 ，1 值反映到外部引腳(APB2上)高低電平的速度.手冊上指出GPIO最大翻轉速度可達18MHz。
@通過簡單的程式測試，用示波器觀察到的翻轉時間: 是綜合的時間，包括取指令的時間、指令執行的時間、指令執行後訊號傳遞到暫存器的時間(這其中可能經過很多環節，比如AHB、APB、匯流排仲裁等)，最後才是訊號從暫存器傳輸到引腳所經歷的時間。
如：有上拉電阻，其阻值越大，RC延時越大，即邏輯電平轉換的速度越慢，功耗越大。
(3).GPIO 輸出速度：與程式有關，(程式中寫的多久輸出一個訊號)。
2、GPIO口設為輸入時，輸出驅動電路與埠是斷開，所以輸出速度配置無意義。
3、在復位期間和剛復位後，複用功能未開啟，I/O埠被配置成浮空輸入模式。
4、所有埠都有外部中斷能力。為了使用外部中斷線，埠必須配置成輸入模式。
5、GPIO口的配置具有上鎖功能，當配置好GPIO口後，可以通過程式鎖住配置組合，直到下次晶片復位才能解鎖。
一般應用：
模擬輸入_AIN ——應用ADC模擬輸入，或者低功耗下省電。
浮空輸入_IN_FLOATING ——可以做KEY識別，RX1
開漏輸出_Out_OD——應用於I2C匯流排； （STM32開漏輸出若外部不接上拉電阻只能輸出0）
二. 管腳的複用功能 重對映
1、複用功能：內建外設是與I/O口共用引出管腳（不同的功能對應同一管腳）
STM32 所有內建外設的外部引腳都是與標準GPIO引腳複用的，如果有多個複用功能模組對應同一個引腳，只能使能其中之一，其它模組保持非使能狀態。
2、重對映功能：複用功能的引出腳可以通過重對映，從不同的I/O管腳引出，即複用功 能的引出腳位是可通過程式改變到其他的引腳上！
直接好處：PCB電路板的設計人員可以在需要的情況下，不必把某些訊號在板上繞一大圈完成聯接，方便了PCB的設計同時潛在地減少了訊號的交叉干擾。
如：USART1： 0: 沒有重映像(TX/PA9，RX/PA10)； 1: 重映像(TX/PB6，RX/PB7)。
（參考AFIO_MAPR暫存器介紹）[0,1為一暫存器的bit值]
【注】 下述複用功能的引出腳具有重對映功能：
- 晶體振盪器的引腳在不接晶體時，可以作為普通I/O口
- CAN模組； - JTAG除錯介面；- 大部分定時器的引出介面； - 大部分USART引出介面
- I2C1的引出介面； - SPI1的引出介面；
舉例：對於STM32F103VBT6，47引腳為PB10，它的複用功能是I2C2_SCL和 USART3_TX，表示在上電之後它的預設功能為PB10，而I2C2的SCL和USART3的TX為它的複用功能；另外在TIM2的引腳重對映後，TIM2_CH3也成為這個引腳的複用功能。
(1)要使用STM32F103VBT6的47、48腳的USART3功能，則需要配置47腳為複用推輓輸出或複用開漏輸出，配置48腳為某種輸入模式，同時使能USART3並保持I2C2的非使能狀態。
(2)使用STM32F103VBT6的47腳作為TIM2_CH3，則需要對TIM2進行重對映，然後再按複用功能的方式配置對應引腳.
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輸入輸出快速切換
#define HD7279_DAT_OUT GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000003<<20 //推輓輸出
#define HD7279_DAT_IN GPIOB->CRH=(GPIOB->CRH&(~(0x0000000F<<20)))|0x00000004<<20 //浮空輸入
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看來下GD提供的驅動庫，裡面的GPIO操作都是函式：
void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, GPIO_InitPara*
GPIO_InitParaStruct)
{
uint32_t pin = 0x00;
for (pin = 0x00; pin < 0x10; pin++)
{
if(((GPIO_InitParaStruct->GPIO_Pin) & (((uint32_t)0x01) << pin))!=0)
{
if ((GPIO_InitParaStruct->GPIO_Mode == GPIO_MODE_OUT) || (GPIO_InitParaStruct->GPIO_Mode == GPIO_MODE_AF))
{
/* Speed configuration */
GPIOx->OSPD &= ~(GPIO_OSPD_OSPD0 << (pin * 2));
GPIOx->OSPD |= ((uint32_t)(GPIO_InitParaStruct->GPIO_Speed) << (pin * 2));
/* Output type configuration */
GPIOx->OMODE &= ~((GPIO_OMODE_OM0) << ((uint16_t)pin));
GPIOx->OMODE |= (uint16_t)(((uint16_t)GPIO_InitParaStruct->GPIO_OType) << ((uint16_t)pin));
}
/* Pull-up Pull-down configuration */
GPIOx->PUPD &= ~(GPIO_PUPD_PUPD0 << ((uint16_t)pin * 2));
GPIOx->PUPD |= (((uint32_t)GPIO_InitParaStruct->GPIO_PuPd) << (pin * 2));
/* GPIO mode configuration */
GPIOx->CTLR &= ~(GPIO_CTLR_CTLR0 << (pin * 2));
GPIOx->CTLR |= (((uint32_t)GPIO_InitParaStruct->GPIO_Mode) << (pin * 2));
}
}
}
uint8_t GPIO_ReadOutputBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t
GPIO_Pin)
{
if ((GPIOx->DOR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)
{
return (uint8_t)Bit_SET;
}
else
{
return (uint8_t)Bit_RESET;
}
}
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
GPIOx->BOR = GPIO_Pin;
}
類似這些函式，如果僅僅是讀取一個IO值，都要去入棧和出棧，顯然有些多餘，於是我進行了如下改造：
/* 巨集定義-------------------------------------------------------------------*/
#defineNOP()
__asm("NOP")
#define USER_GPIO_SETBITS_OUT(GPIOx,GPIO_Pin) do{ \
GPIOx->CTLR &= ~(GPIO_CTLR_CTLR0 << (GPIO_Pin)); \
GPIOx->CTLR |= (((uint32_t)GPIO_MODE_OUT) << (GPIO_Pin));\
}while(0)
#define USER_GPIO_SETBITS_IN(GPIOx,GPIO_Pin) do{ \
GPIOx->CTLR &= ~(GPIO_CTLR_CTLR0 << (GPIO_Pin)); \
GPIOx->CTLR |= (((uint32_t)GPIO_MODE_IN) << (GPIO_Pin)); \
}while(0)
#define USER_GPIO_READ_INPUTBIT(GPIOx,GPIO_Pin) ((GPIOx->DIR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)
#define USER_GPIO_READ_OUTPUTBIT(GPIOx,GPIO_Pin) ((GPIOx->DOR & GPIO_Pin) != (uint32_t)Bit_RESET)
#define USER_GPIO_SETBITS(GPIOx,GPIO_Pin) (GPIOx->BOR = GPIO_Pin)
#define USER_GPIO_RESETBITS(GPIOx,GPIO_Pin) (GPIOx->BCR = GPIO_Pin)
這樣用起來就清爽了許多。
但是我還是不習慣，因為輸出是這樣的：
#define USER_GPIO_OUT(GPIOx,GPIO_Pin,__VALUE) do{ \
if(__VALUE){ \
USER_GPIO_SETBITS(GPIOx,GPIO_Pin); \
}else{ \
USER_GPIO_RESETBITS(GPIOx,GPIO_Pin); \
} \
}while(0)於是我進行了如下改造，首先定義一個匿名結構體：
struct Uint16_bit
{
uint16_t bit0:1;
uint16_t bit1:1;
uint16_t bit2:1;
uint16_t bit3:1;
uint16_t bit4:1;
uint16_t bit5:1;
uint16_t bit6:1;
uint16_t bit7:1;
uint16_t bit8:1;
uint16_t bit9:1;
uint16_t bit10:1;
uint16_t bit11:1;
uint16_t bit12:1;
uint16_t bit13:1;
uint16_t bit14:1;
uint16_t bit15:1;
};
#if defined(__CC_ARM)
union Commonwealth_16
{
struct
{
uint16_t bit0:1;
uint16_t bit1:1;
uint16_t bit2:1;
uint16_t bit3:1;
uint16_t bit4:1;
uint16_t bit5:1;
uint16_t bit6:1;
uint16_t bit7:1;
uint16_t bit8:1;
uint16_t bit9:1;
uint16_t bit10:1;
uint16_t bit11:1;
uint16_t bit12:1;
uint16_t bit13:1;
uint16_t bit14:1;
uint16_t bit15:1;
};
struct Uint16_bit tData_Uint16_bit;
uint16_t hwAll;
};
#else
union Commonwealth_16
{
struct Uint16_bit tData_Uint16_bit;
uint16_t hwAll;
};
#endif然後定義變數：
/************************************ IO定義區 ********************************/
#define GPIOA_OUT_PUT_ADDR (GPIOA_BASE+0x14)
#pragma anon_unions
__IO union Commonwealth_16 tGPIOAOutPutBits __attribute__((at(GPIOA_OUT_PUT_ADDR)));
#define GPIOA_IN_PUT_ADDR (GPIOA_BASE+0x10)
#pragma anon_unions
__IO union Commonwealth_16 tGPIOAInPutBits __attribute__((at(GPIOA_IN_PUT_ADDR)));
#define GPIOB_OUT_PUT_ADDR (GPIOB_BASE+0x14)
#pragma anon_unions
__IO union Commonwealth_16 tGPIOBOutPutBits __attribute__((at(GPIOB_OUT_PUT_ADDR)));
#define GPIOB_IN_PUT_ADDR (GPIOB_BASE+0x10)
#pragma anon_unions
__IO union Commonwealth_16 tGPIOBInPutBits __attribute__((at(GPIOB_IN_PUT_ADDR)));在系統標頭檔案裡宣告下：
/*****************GPIO**************/
extern __IO union Commonwealth_16 tGPIOAOutPutBits;
extern __IO union Commonwealth_16 tGPIOAInPutBits;
extern __IO union Commonwealth_16 tGPIOBOutPutBits;
extern __IO union Commonwealth_16 tGPIOBInPutBits;
IO口配置好後，在自己的程式直接引用即可：
tGPIOAOutPutBits.bit7 = 0;
=========================================華麗的分割線==========================================
補充一點預編譯只是：
__CC_ARM：MDK預定於巨集
__ICCARM__：IAR for RAM 預定義巨集
__GNUC__：GNU編譯器預定於巨集
#pragma anon_unions//預編譯命令，支援匿名結構體和聯合體__attribute__((at(整數)))//定義變數絕對地址，必須是立即數整數