[技术文章]GPIO内部结构/工作原理/相关寄存器讲解 [复制链接]

STM32-GPIO工作原理及相关寄存器内容 9C$b^wHd  
E*7B5  
一,STM32F103ZET6介绍 w]UYD;f  
p(%7|'  
<m`HK.|~  
9]VUQl9gh  
FsY}mql  
R(=Lhz6R4  
1. STM32实物图:　 #DwTm~V0"  
B=7bQli}  
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　 %z J)mOu  
f3|ttUX  
　2. STM32引脚分布图:
kW4/0PD  
N/TUcG|m\  
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YMef`T:  
　　 d%81}4f:  
　　STM32F103ZET6:共144个引脚,7组IO口,每组16个IO口 .Frc:Y{  

h5U@Ys  
m-dne/%_  
7*16=112个IO口(这7组IO口分别为GPIOA,GPIOB…GPIOG) 234OJ?  

3@J0-w  
?zQ\u{]=  
例如:PGIOA包含PA0,PA1,PA2…PA15,每组16个IO口 o  <0f  
X7?p$!M6;B  
K\nN2y  
二,IO口的基本结构和工作方式 4gb2$"!  
\ZigG{  
VThcG( NF  
1. STM32F1系列 1<fS&)^W  
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7gxV3;  
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IO口的基本结构(IO口内部电路结构)　 d `>M-:dF  
75r>~@)*  
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　 dd@^e)VZB  
1%]|O  
右侧I/O引脚部分为芯片暴露在外部的引脚 U>IllNd  
mFjX  
a57Y9.H`o  
每个引脚在数据手册都有说明是否支持(识别)5V电压 U,LW(wueT  
<h4"^9hL  
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SBF  
三,PGIO的8种工作方式 XpdDIKMmE  
z~L''X7g  
sD7Qt  
4种输入模式　　　输入浮空　　　输入上拉　　　输入下拉　　　模拟输入 T(MS,AyD]  
4种输出模式　　　开漏输出　　　开漏复用功能　　　推挽输出　　　推挽复用功能 {2vk<  
可配置3种最大翻转速度　　　2MHz　　　10MHz　　　50MHz gYA|JFi  
am{f<v,EI  
四,八种工作方式讲解 OKNA36cU'  
c$rkbbf~V  
１,GPIO输入工作模式1-输入浮空模式　　 S 3Tp__  
UQ:H3  
1)外部通过IO口输入电平,外部电平通过上下拉部分(浮空模式下都关闭,既无上拉也无下拉电阻) 8;ke,x  
KoRJ'
WW^  
Yc3\NqQM  
2)传输到施密特触发器(此时施密特触发器为打开状态) a*$to/^r  
7*^-3Tt83  
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3)继续传输到输入数据寄存器IDR _7'9omq@  
n.ZLR=P4  
];Z)=y,vM  
4)CPU通过读输入数据寄存器IDR实现读取外部输入电平值 Tz4,lwuWX7  
= I,O+^  
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在输入浮空模式下可以读取外部输入电平 +>/ariRr  
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2,GPIO输入工作模式2-输入上拉模式　　 CL.JalR`b  
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和输入浮空模式相比较,不同之处在于内部有一个上拉电阻连接到VDD(输入上拉模式下,上拉电阻开关接通,阻值约30-50K) G#gUd'=M  
`E+)e?z  
FRd!UqMXY  
外部输入通过上拉电阻,施密特触发器存入输入数据寄存器IDR,被CPU读取 T6h-E^Z  
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NUbw]Y90~  
3,GPIO输入工作模式3-输入下拉模式　　 )Fx
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　和输入浮空模式相比较,不同之处在于内部有一个下拉电阻连接到VSS(输入下拉模式下,下拉电阻开关接通,阻值约30-50K) zI$^yk-vn  
外部输入通过下拉电阻,施密特触发器存入输入数据寄存器IDR,被CPU读取 eQu%TZ(x-$  
 N-`Vb0;N  
dE19_KPm[j  
4,GPIO输入工作模式4-输入模拟模式　 k4fc5P  
:,gnOfV=  
("Z;)s4q  
　 'kb5pl~U  
上拉和下拉部分均为关闭状态(AD转换-模拟量转换为数字量) ;*1bTdB5a  
施密特触发器为截止状态 G6(kwv4  
通过模拟输入通道输入到CPU 'N^\9X0
  
IO口外部电压为模拟量(电压形式非电平形式),作为模拟输入范围一般为0~3.3V ^`~M f  
>}Qj|05G  
}P(RGKQZ"  
5,GPIO输出工作模式1-开漏输出模式　　 3[I; 3=O  
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(XA=d 4  
<k?ofE1o  
K~ ,|~  
1,CPU写入位设置/清楚寄存器BSRR,映射到输出数据寄存器ODR j[l6&eX  
2,联通到输出控制电路(也就是ODR的电平) f2Zi.?``H  
3,ODR电平通过输出控制电路进入N-MOS管 `q|&;wP.  
－ODR输出1:　　　　N-MOS截止,IO端口电平不会由ODR输出决定,而由外部上拉/下拉决定 xxkUu6x#  
在输出状态下,输出的电平可以被读取,数据存入输入数据寄存器,由CPU读取,实现CPU读取输出电平 Wt5x*p-!C  
所以,当N-MOS截止时,如果读取到输出电平为1,不一定是我们输出的1,有可能是外部上拉产生的1 U"$Q$ OFs  
－ODR输出0:　　　　N-MOS开启,IO端口电平被N-MOS管拉倒VSS,使IO输出低电平 nX4R  
此时输出的低电平同样可以被CPU读取到 DTmv2X  
JwCv(1$GM  
{6{y"8  
6,GPIO输出工作模式2-开漏复用输出模式　 D^Ahw"X)  
\Zc$X^}vN  
Fx,08  
　 io:g]g  
与开漏输出模式唯一的区别在于输出控制电路之前电平的来源 7jvy]5y8&~  
开漏输出模式的输出电平是由CPU写入输出数据寄存器控制的 N<lejZ}!q  
开漏推挽输出模式的输出电平是由复用功能外设输出决定的 dv=y,q@W  
其他与开漏输出模式相似: j,%@%upM  
控制电路输出为1:N-MOS截止,IO口电平由外部上拉/下拉决定 )
Y%>t  
控制电路输出为0:N-MOS开启,IO口输出低电平 ^kZfE"iE2  
(t&]u7Atr  
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7,GPIO输出工作模式3-推挽输出模式　　 :$k':0 n  
@(>XSTh9  

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b`"E(S/  
与开漏输出相比较: Q#C;4)e  
输出控制寄存器部分相同
272j$T  
输出驱动器部分加入了P-MOS管部分 kk]f*[Zi5  
当输出控制电路输出1时:　　　　P-MOS管导通N-MOS管截止,被上拉到高电平,IO口输出为高电平1 nk.Y#
+1)  
当输出控制电路输出0时:　　　　P-MOS管截止N-MOS管导通,被下拉到低电平,IO口输出为低电平0 zogtIn)  
同时IO口输出的电平可以通过输入电路读取 1'ne[@i^/  
i`[5%6\"&  
C!Cg.^;  
8,GPIO输出工作模式4-复用推挽输出模式　 E)==!T@E  
GC?X>AC:  
[ZwZGAP  
　 OLXkiesK{  
与推挽输出模式唯一的区别在于输出控制电路之前电平的来源 &8'.Gwm}  
开漏输出模式的输出电平是由CPU写入输出数据寄存器控制的 V]b1cDx{  
开漏推挽输出模式的输出电平是由复用功能外设输出决定的 yXU-@~  
NGYliP,.6  
,w~0U  
9,推挽输出和开漏输出的区别: Bvzu{B%  
'[#a-8-JY_  
.G[y^w)w}  
推挽输出:　　　　可以输出强高/强低电平,可以连接数字器件 :}d`$2Dz  
开漏输出:　　　　只能输出强低电平(高电平需要依靠外部上拉电子拉高),适合做电流型驱动,吸收电流能力较强(20ma之内) y*2R#jTA  
z0J$9hEg89  
6BIP;, M=  
五,STM32-IO口相关寄存器 d,=Kv  
0_yE74i  
8 vNgePn  
每组GPIO包含系列7个寄存器(7组GPIO共包含7*7=49个寄存器) ( Lj{V}^  
(]wi^dE  
b *IJ +  
两个32位配置寄存器　　GPIOx_CRL     低16位　　GPIOx_CRH     高16位 i^P@?  
两个32位数据寄存器　　GPIOx_IDR     输入数据寄存器　　GPIOx_ODR   输出数据寄存器 xsK{nM6g  
一个32位置位/复位寄存器　　GPIOx_BSRR * d6[kY  
一个16位复位寄存器　　GPIOx_BRR　一个32位锁定寄存器　　GPIOx_LCKR l@`D;m  
MLg<YL  
kN uDoo]z  
六,STM32-IO口相关寄存器讲解 1|Y(XB^os(  
6cof Zc$  
}*Qd]\fy  
1,端口配置寄存器: 'Z2:u!E  
STM32每组GPIO位16个IO口,每4位控制一个IO口,所以32位控制8个IO口 EM/NT/  
分为低16位:GPIOx_CRL和高16位:GPIOx_CRH共32位控制一组GPIO的16个IO口　　 f])?Gw  
h}xUZ:  
uY0V!W  
^}; 4r  
如图:以端口配置寄存器低16位为例,每四位控制一个IO口(高16位同理) VlW#_.  
MODEx的2位 : 配置IO口输出/输出模式(1种输出+3种不同速度的输出模式) 3_=~7B) 8  
CNFx的2位 : 配置IO口输入/输出状态下(由MODEx控制)的输入/输出模式

  

以GPIOA_CRL为例,配置IO口PA0 -> MODE0=00(输入模式) CNF0=10(上拉/下拉输入模式) ln.kEhQ3B  
  此种配置下到底是上拉还是下拉输入模式还需由ODR寄存器决定 GF~^-5  

　　 *Yv"lB8  
　　关于上拉/下拉的控制我们将在下面－数据寄存器－中介绍ODR输出寄存器时详细说明　2,数据寄存器(以输入数据寄存器GPIOx_IDR为例)　　每一组IO口都具有一个GPIOx_IDR的32位寄存器(实际只使用低16位,高16位保留),即16位控制16个IO口,每一位控制一个　　 !- f>*|@  
　　如图：IDR寄存器共32位,0~15位代表一组IO口16个IO当前值　　这里我们已经了解了输入/输出数据寄存器,现在说下上面提到的问题: PpMZ-f@  
8>x.zO_.c>  
2=ZR}8}9Q:  
当IO口配置为输入模式且配置为上拉/下拉输入模式(即MODEx=00 CNFx=10时),ODR决定到底是上拉还是下拉 q0WW^jwQ  
1)当输出模式时,ODR为输出数据寄存器 hT6:7_UD  
2)当输入模式时,ODR用作区分当前位输入模式到底是上拉输入(ODRx=0)还是下拉输入(ODRx=1) ZCPK{Ru QE  
3,端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)　　 gd<8RVA  
}@yvw*c  
Hxr2Q]c?u  
aKs!*uo0H  
hTI8hh  
BSRR寄存器作用: BOJh-(>I  
BSRR寄存器为32位寄存器,低16位BSx为设置为(1设置0不变),高16位BRx为重置位(1:清除0:不变) \Ekez~k{`  
当然,最终的目的还是通过BSRR间接设置ODR寄存器,改变IO口电平 :NU-C!eT  
 N>`+{  
wo2^,Y2z+  
4,端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)　　 [i[G" %Q  
x( w <U1  
　　GPIOx_BRR寄存器作用同GPIOx_BSRR寄存器高16位 etf ft8  
一般我们使用BSRR低16位和BRR的低16位(STM32F4系列取消了BSRR的高16位) Wq)'0U;{$  
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DGY#pnCu  
5,锁存寄存器:使用较少暂不分析七,端口的复用和重映射 L*tXy>&b.  
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１,端口的复用：大部分IO口可复用为外部功能引脚,参考芯片数据手册(IO口复用和重映射)　　 e<5+&Cj  
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r0G#BPgdR  
F$r8hj`  
例如:STM32F103ZET6的PA9和PA10引脚可复用为串口发送和接收功能引脚,也可复用为定时器1的通道2和通道3 wlqV1.K  
^FgNg'"[3  
^a; V-US  
端口复用的作用：最大限度的利用端口资源 +WPi}  
{#QFDA  
`Q26D
k  
2,端口的重映射：　　 UEo,:zeN[  
7g ]]>  
Z.6`O1OY}?  
7i{Rn K6*  
d!8q+FI  
串口1默认引脚是PA9,PA10可以通过配置重映射映射到PB6,PB7 z+" :,#  
端口重映射的作用：方便布线 W3UK[_qK  
M0Z>$Az]t  
UShn)3F  
3,STM32所有的IO口都可作为中断输入(51单片机只有2个端口可以作为外部中断输入)

很详细，清晰，谢谢 ，楼主辛苦。