[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 iR!]&Oh  
4wN5x[vp  
一,STM32F103ZET6介绍 ~>H,~</`  
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s f.z(o  
MH|F<$42  
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1. STM32实物图:　 &ty-aB=F  
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　2. STM32引脚分布图: jz~#K;3=,  
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　　 >& 4):  
　　STM32F103ZET6:共144个引脚,7组IO口,每组16个IO口  LJ;&02w@  
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7*16=112个IO口(这7组IO口分别为GPIOA,GPIOB…GPIOG) !C|Z+w9Y  
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例如:PGIOA包含PA0,PA1,PA2…PA15,每组16个IO口 ]imVIu  
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二,IO口的基本结构和工作方式 C4qK52'2s  
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1. STM32F1系列 5rfDm  
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IO口的基本结构(IO口内部电路结构)　 ~]#-S20  
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# S/n3  
右侧I/O引脚部分为芯片暴露在外部的引脚 :?j=MV  
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每个引脚在数据手册都有说明是否支持(识别)5V电压 NMfHrYHbh  
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三,PGIO的8种工作方式 H3*]}=  
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4种输入模式　　　输入浮空　　　输入上拉　　　输入下拉　　　模拟输入 S~ Z<-@S  
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 /t`,7y3T  
可配置3种最大翻转速度　　　2MHz　　　10MHz　　　50MHz 1pg#@h[|t  
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四,八种工作方式讲解 gOe!GnO  
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１,GPIO输入工作模式1-输入浮空模式　　 qjhk#\y  
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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) gKl9Nkd!R  
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,`RX~ H=C  
2)传输到施密特触发器(此时施密特触发器为打开状态) cD6^7QF  
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3)继续传输到输入数据寄存器IDR pDYJLh-C  
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4)CPU通过读输入数据寄存器IDR实现读取外部输入电平值 +v 3:\#  
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在输入浮空模式下可以读取外部输入电平 Axns

  
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2,GPIO输入工作模式2-输入上拉模式　　 W90!*1  
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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) tuIZYp8tIN  
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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 Li}5aK  
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3,GPIO输入工作模式3-输入下拉模式　　 |u?VlRt  
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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) d8vf kVB  
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 mi<Q3;m  
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4,GPIO输入工作模式4-输入模拟模式　 3p&T?E%  
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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) Uzzm2OS`  
施密特触发器为截止状态 tF}^  
通过模拟输入通道输入到CPU :K]7(y7>  
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
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5,GPIO输出工作模式1-开漏输出模式　　 1J"9Y81  
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1,CPU写入位设置/清楚寄存器BSRR,映射到输出数据寄存器ODR =?.oH|&\h  
2,联通到输出控制电路(也就是ODR的电平) NT*r7_e  
3,ODR电平通过输出控制电路进入N-MOS管 9;U?_   
－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 ]5S`y{j1  
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 aim\3y~  
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  &Q~W{.  
－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 k*fU:q1  
此时输出的低电平同样可以被CPU读取到 WM ?a1j  
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6,GPIO输出工作模式2-开漏复用输出模式　 %r(WS_%K|  
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i>YQ<A1  
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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 0dC5 -/+  
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 YP_
L~zZ  
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 PmE)FthdP(  
其他与开漏输出模式相似: vlbZ5  
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 )/::i O&$:  
控制电路输出为0:N-MOS开启,IO口输出低电平 `2s@O>RV  
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7,GPIO输出工作模式3-推挽输出模式　　 Y)X7*iTi'j  
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与开漏输出相比较: *pJGp:{6V?  
输出控制寄存器部分相同 w7U]-MW6A*  
输出驱动器部分加入了P-MOS管部分 ja_8n["z  
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 XJ4f;U  
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 $gBQ5Wd  
同时IO口输出的电平可以通过输入电路读取 S"Cz. bv  
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8,GPIO输出工作模式4-复用推挽输出模式　 M@A3+v%K  
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　 U8Y%rFh1  
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 yQ[;y~W  
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 46A sD  
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 R#d~a;j  
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9,推挽输出和开漏输出的区别: /e'3\,2_  
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推挽输出:　　　　可以输出强高/强低电平,可以连接数字器件 n(F!t,S1i  
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) Q*smH-Sw  
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五,STM32-IO口相关寄存器 lnZ{Ryo(  
LlQsc{Ddf  
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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) i?6&4  
,&t+D-s<f  
i<Vc~!pT  
两个32位配置寄存器　　GPIOx_CRL     低16位　　GPIOx_CRH     高16位 *DF3juf~
 
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 YP2VSK2Q  
一个32位置位/复位寄存器　　GPIOx_BSRR EjR(AqZY  
一个16位复位寄存器　　GPIOx_BRR　一个32位锁定寄存器　　GPIOx_LCKR Nn. 9J  

FQ<-Wc  
D|LO!,=b  
六,STM32-IO口相关寄存器讲解 > {*cW  
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1,端口配置寄存器: 3B&A)&pEO  
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 F(G..XJQ  
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　　 &uNec(c  
7*5B  
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Ma^jy.  
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) xE1?)  
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) 7OV^>"S  
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) tDK@?PfKz  
  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 v ccH(T  

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　　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　　 TjW!-s?S  
　　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: uwNJM  
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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 /G||_Hc  
1)当输出模式时,ODR为输出数据寄存器 -/Q5?0z  
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) D#g-mqar:  
3,端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)　　 6>vR5pn  
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7H6Ts8^S  
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BSRR寄存器作用: *[Hp&6f  
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) n1-p/a.  
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 @ st>#]i4  
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4,端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)　　 1WUSp;JMl  
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　　GPIOx_BRR寄存器作用同GPIOx_BSRR寄存器高16位 MP%#)O6  
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) ng1E'c]0@  
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5,锁存寄存器:使用较少暂不分析七,端口的复用和重映射 VI! \+A  
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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)　　 +:KZEFY?<  
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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3 529;_|  
(XZ[-M7  
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端口复用的作用：最大限度的利用端口资源 1c$pz:$vX  
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2,端口的重映射：　　 ,ri&zbB  
^twyy9VR  
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ql?w6qFs]  
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串口1默认引脚是PA9,PA10可以通过配置重映射映射到PB6,PB7 bmT%?it  
端口重映射的作用：方便布线 (j8*F Bq  
Kzev] er  
_H| )g*]t  
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。