MM32F0140 GPIO 学习笔记

一. GPIO简介

GPIO作为通用输入输出端口，其全称为General Purpose Input Output，能够通过软件自由配置引脚状态及工作模式。除通用输入输出功能外，部分GPIO端口还可被用作第二功能的配置，即为复用功能。

每个通用I/O端口都可以通过软件自由配置为4种输入模式与4种输出模式。

输入模式：

通过配置GPIOx_CRL寄存器或GPIOx_CRH寄存器中的MODEx[1:0]为00，即配置为输入模式，配置寄存器中的CNFx[1:0]选择工作模式（MM32F0140 的GPIOx中“x”的范围为A到D）。

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图1. 输入浮空/上拉输入/下拉输入/模拟输入配置

输入浮空：

浮空就是输入引脚即不接高电平也不接低电平，如图1所示，I/O端口的数据在每个AHB时钟被采样到输入数据寄存器，通过读访问输入数据寄存器获取当前I/O状态，输入浮空常用于复用功能。

上拉输入：

电阻与VDD相连，形成上拉电阻，I/O端口在空闲时为高电平，能够用于检测由高到低的电平变化，常用于按键检测。

下拉输入：

电阻与VSS相连，形成下拉电阻，I/O端口在空闲时为低电平，能够用于检测由低到高的电平变化。

模拟输入：

模拟输入是模拟信号的输入，在模拟输入模式下，上拉电阻、下拉电阻及斯密特触发器均被禁止。

输出模式：

通过配置GPIOx_CRL寄存器或GPIOx_CRH寄存器中的CNFx[1:0]选择输出模式，配置GPIOx_CRL中的MODEx[1:0]选择输出速度（MODEx[1:0]不为00）。当I/O端口使用复用输出功能时，端口必须配置为复用功能输出模式（推挽或开漏），输出配置如图2所示。

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图2. 输出配置

开漏输出：

在开漏输出模式中，输出控制寄存器配置为0时，数据经过输出控制模块，MOS管的栅极接收到高电平，MOS管导通，此时I/O端口接通在GND上，即对应引脚输出低电平；当输出控制寄存器配置为1，数据经过控制模块，给予MOS管的栅极一个低电平，此时MOS管不导通，对应的管脚处于高阻态。因此，开漏输出通常输出低电平，若要输出高电平则需外加上拉电阻。

推挽输出：

推挽输出一般指两个MOS管分别受两个互补信号的控制，总是在一个MOS管导通时另一个MOS管截止。当输出控制寄存器配置为0时，数据经过输出控制模块，MOS管的栅极接收到高电平，N-MOS管导通，P-MOS管不导通，此时I/O端口接通在VSS上，即对应引脚输出为低电平；当输出控制寄存器配置为1时，数据经过输出控制模块，MOS管的栅极接收到低电平，P-MOS管导通，N-MOS管不导通，此时I/O端口接通在VDD上，即对应引脚输出为高电平。因此，推挽输出可以输出高低电平。

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图3. 复用功能配置

复用开漏输出：

配置GPIOx_AFRH与GPIOx_AFRL寄存器的AFRLx[3:0]与AFRHx[3:0]选择复用功能。当GPIO被作为第二功能使用时，模式配置为复用模式，复用功能配置如图3所示。以图4为例，若要配置PB10引脚作为I2C_SCL，则在配置GPIO模式时要选择复用模式。通过片上外设复用功能，使用MOS管实现输出。通常I2C使用GPIO的复用功能时会使用复用开漏输出模式，由于I2C的一个主设备可挂载多个从设备，若不使用复用开漏输出，而使用复用推挽输出，数据传输时，两个从设备一个拉高，一个拉低，可能会造成短路。因此I2C大多使用GPIO的复用开漏输出模式。

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图4. MM32F0140部分引脚复用功能

复用推挽输出

配置GPIOx_AFRH与GPIOx_AFRL寄存器的AFRLx[3:0]与AFRHx[3:0]选择复用功能。当GPIO被作为第二功能使用时，模式配置为复用模式，复用功能配置如图3所示。以图4为例，若要配置PB10引脚作为I2C_SCL，则在配置GPIO模式时要选择复用模式。通过片上外设复用功能，使用MOS管实现输出。通常I2C使用GPIO的复用功能时会使用复用开漏输出模式，由于I2C的一个主设备可挂载多个从设备，若不使用复用开漏输出，而使用复用推挽输出，数据传输时，两个从设备一个拉高，一个拉低，可能会造成短路。因此I2C大多使用GPIO的复用开漏输出模式。

二. 配置GPIO

首先，使能对应I/O口的时钟，根据所使用的外设对RCC的RCC\_AHBENR寄存器进行赋值，将对应外设位置1即可使能时钟，详细外设如图5所示。

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图5. MM32F0140 AHB外设

其次，配置所需的GPIO引脚、速度及工作模式。端口0到端口7使用GPIOx_CRL寄存器配置工作模式与速度，该寄存器中MODEx[1:0]位表示端口输入输出速度，CNFx[1:0]位表示端口工作模式（”MODEx”与”CNFx”的”x”表示指定端口号）。若配置GPIOx_CRL寄存器中的MODEx位等于00则端口为输入模式，此时CNFx位有四种配置方式，分别为：00（模拟输入模式），01（浮空输入模式），10（上拉/下拉输入模式）；若MODEx位不为00，则对应端口为输出模式，此时CNFx具有四种配置方式：00（推挽输出模式），01（开漏输出模式），10（推挽复用模式），11（开漏复用模式）。端口8到端口15的配置使用GPIOx_CRH寄存器配置指定端口的工作模式与速度，详细配置方式与CPIOx_CRL寄存器相同。

若使用端口复用功能，需对GPIOx_AFRL（端口复用功能低位）寄存器与GPIOx_AFRH（端口复用功能高位）寄存器进行配置。端口号为0到7则使用GPIOx_AFRL寄存器，端口号为8到15则使用GPIOx_AFRH寄存器，根据端口号与复用功能表进行配置，例如若使用PA0引脚作为I2C1_SCL，则需将GPIOx_AFRL寄存器中AF3的对应位置1（GPIO的工作模式也要配置为复用模式），PA端口的复用功能表如图6所示。

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图6. MM32F0140 PA端口复用功能表

三. 实验

本实验通过使用GPIO获取按键状态控制LED亮灭，读取指定GPIO端口引脚的输入数据（读GPIOx_IDR寄存器）来获取当前的按键状态，通过对端口设置/清除寄存器（GPIOx_BSRR寄存器）与端口位清除寄存器（GPIOx_BRR寄存器）的对应端口赋值，使对应的LED亮灭。具体实验内容为配置PB3引脚对应LED2, PB4引脚对应LED3，PB2引脚对应的K2（如图7所示），若K2按下，则K2对应的端口输入低电平，设置实验现象为LED2灭、LED3亮，K2处于非按下时，K2对应的端口输入高电平，设置实验现象为LED2亮、LED3灭。

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图7. 引脚配置原理图

外设时钟初始化

GPIO在AHB线上，实验使用引脚均为GPIOB组的引脚，因此对RCC_AHBENR寄存器的GPIOB对应位置1。

RCC->AHB1ENR |= (1u << 18u);

按键初始化

实验使用引脚为PB2的K2按键，按键原理图如图8所示，若K2按键按下则与GND导通，因此在初始化按键时需配置该端口的工作模式为上拉输入。

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图8. 按键原理图

GPIOx_CRL寄存器为端口配置低寄存器，用于配置指定端口的速度与工作模式；GPIOx_BSRR寄存器用于设置/清除对应端口，该寄存器低16位的对应端口位置1会产生高电平。由图9所示，K2所使用的端口2为GPIOx_CRL寄存器内第8~11位。

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图9. 端口配置低寄存器的比特位

//对应端口的配置涉及到4位，后两位配置端口输入输出速度，前两位配置工作模式；清零端口2的配置位
GPIOB->CRL &= ~(0xf << 8u); 

//速度配置位为0，端口为输入模式，上拉输入的工作模式位为10，因此使用0x08.
GPIOB->CRL |= (0x08 << 8u); 

//配置PB2引脚为高电平
GPIOB->BSRR |= (1u << 2u);

LED初始化

实验使用PB3、PB4,引脚，为观察LED的高低电平，在配置工作模式时使用可以输出高低电平的推挽输出。因为PB3与PB4对应端口在端口0~7中，所以使用GPIOx_CRL寄存器对LED进行初始化配置（若使用端口为8~15则使用GPIOx_CRH寄存器）。

如图9所示，端口3为GPIOx_CRL寄存器内第12~15位，端口4为GPIOx_CRL寄存器内第16~19位。由于LED为低电平点亮，设置GPIOx_BSRR寄存器中LED2与LED3的对应位置1使LED初始状态为灭。

//复位将要使用的端口3与端口4的配置位
GPIOB->CRL &= ~( (0xf << 12u) | (0xf << 16u) ); 

//端口输入输出速度配置位不为00时，端口为输出模式，配置最大速度为50MHz，推挽输出模式的配置为00.
GPIOB->CRL |= ( (0x01 << 12u) | (0x01 << 16u) );

//PB3对应的LED2初始化状态为灭
GPIOB->BSRR = (1u << 3u); 

//PB4对应的LED3初始化状态为灭
GPIOB->BSRR = (1u << 4u);

按键扫描

读GPIOx_IDR寄存器获取对应端口输入数据，本实验中K2配置为上拉输入，即按键未按下时为高电平，按下按键后，K2对应端口输入为低电平。若GPIOx_BSRR寄存器的低16位的对应端口位置1，则该端口为高电平；若GPIOx_BRR寄存器的对应端口位置1，则该端口为低电平。实验设置按键未按下时，LED2（PB3）亮、LED3（PB4）灭；按下按键时LED2灭、LED3亮。

while(1)
{
    //K2的引脚为PB2,  1u<<2u = 0100u，将PB2的对应位置1，若读出GPIOx_IDR的对应端口数据为高电平则按键未按下
    if ( 0u != ( GPIOB->IDR & (1u << 2u) ) ) 
    {
    //PB4引脚对应的LED3灭
        GPIOB->BSRR = (1u << 4u);

        //PB3引脚对应的LED2亮
        GPIOB->BRR = (1u << 3u); 
    }
    else  //K2 按键按下
    {
        //PB4引脚对应的LED3亮
        GPIOB->BRR =(1u << 4u);

        //PB3引脚对应的LED2灭
        GPIOB->BSRR = (1u << 3u);
    }
}

Main()函数

综合上述寄存器配置到main函数中，图10为实验效果。

int main(void)
{
    //GPIOB时钟初始化
    RCC->AHB1ENR |= (1u << 18u);

    //清零端口2的配置位
    GPIOB->CRL &= ~(0xfu << 8u);
    //端口2配置为上拉输入
    GPIOB->CRL |= (0x08u << 8u);
    //端口2配置为高电平
    GPIOB->BSRR |= (1u << 2u);

    //端口3与端口4配置位清零
    GPIOB->CRL &= ~( (0xf << 12u) | (0xf << 16u) );
    //端口3与端口4配置为推挽输出，速度最大为50MHz
    GPIOB->CRL |= ( (0x01 << 12u) | (0x01 << 16u) );

    //PB3对应的LED2初始化状态为灭
    GPIOB->BSRR = (1u << 3u);
    //PB4对应的LED3初始化状态为灭
    GPIOB->BSRR = (1u << 4u);

    while(1)
    {
        //K2的引脚为PB2,  1u << 2u = 0100u，将PB2的对应位置1，若读出GPIOx_IDR的对应端口数据为高电平则按键未按下
        if ( 0u != ( GPIOB->IDR & (1u << 2u) ) ) 
        {
            // PB4引脚对应的LED3灭
            GPIOB->BSRR = (1u << 4u);

            //PB3引脚对应的LED2亮
            GPIOB->BRR = (1u << 3u); 
        }
        else  //按下按键K2
        {
            // PB4引脚对应的LED3亮
            GPIOB->BRR = (1u << 4u);

            // PB3引脚对应的LED2灭
            GPIOB->BSRR = (1u << 3u); 
        }
    }
}

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图10. 实验效果