前言

前面啰啰嗦嗦寫了一大堆，從本文開始，正式進(jìn)入STM32的實際開發(fā)過程，此系列選用寄存器開發(fā)，從最底層操作，通過查看手冊配置寄存器來實現(xiàn)對應(yīng)的功能，整個過程記錄下來會顯得有些臃腫，全文結(jié)構(gòu)大概是前面部分介紹理論知識，后半部分介紹實操以及代碼。筆者盡量做的簡潔點，文中如有不足，希望各位提出指正。

認(rèn)識GPIO

GPIO是什么

首先，我們需要知道GPIO是個什么東西，對于這種問題，咱還是老套路，先問問“C知道”。

感覺說的不夠清楚，我們再看看百度百科的回答。
GPIO（英語：General-purpose input/output），通用型之輸入輸出的簡稱，功能類似8051的P0—P3，其接腳可以供使用者由程控自由使用，PIN腳依現(xiàn)實考量可作為通用輸入（GPI）或通用輸出（GPO）或通用輸入與輸出（GPIO），如當(dāng)clk generator, chip select等。
既然一個引腳可以用于輸入、輸出或其他特殊功能，那么一定有寄存器用來選擇這些功能。對于輸入，一定可以通過讀取某個寄存器來確定引腳電位的高低；對于輸出，一定可以通過寫入某個寄存器來讓這個引腳輸出高電位或者低電位；對于其他特殊功能，則有另外的寄存器來控制它們。
嗯，看了百度解釋，想必學(xué)過51系單片機或者其他系單片機的同學(xué)已經(jīng)有了一個大致答案，功能和51的P0-P3類似，做輸入、輸出或輸入輸出都做，那他肯定就是和51單片機差不多引腳了吧。
對于沒學(xué)過其他系單片機的同學(xué)可能還是一頭霧水，我知道你很懵但你先別懵，我給你個答案，
通俗來講，GPIO就是STM32上的大部分引腳，就是如下圖所示紅圈里的大多數(shù)。

注意提取關(guān)鍵字，我說的是大多數(shù)，并不是說所有，這就說明二者不能打等號。

那么這二者有什么區(qū)別呢，我們再看一張圖，這個圖具體標(biāo)注了上面的芯片每個腳對應(yīng)的名稱。

細(xì)細(xì)觀察，這里面的腳似乎還挺有規(guī)律
1.大部分是PA0-15，PB0-15…PE0-15這部分就是上面說到的GPIO，也就是說，STM32中PXX這種標(biāo)號的就是GPIO口，他們可以做輸入、輸出也可以既做輸入又做輸出；
2.剩下一大部分是VDD、VSS、VREF、VDDA、VSSA這些，這部分在昨天的硬件介紹中提到了，就是STM32的各類電源組，他們是為整個單片機提供能源輸入的接口；
3.還有NRST、BOOT0這些就是昨天最小系統(tǒng)中寫到的引腳。
好了，到這兒，我們對GPIO是什么有了一個概念，接下解決第二個問題

GPIO有什么用

還是看個圖吧，我們知道STM32內(nèi)部有著各種各樣的片內(nèi)外設(shè)，GPIO也是片內(nèi)外設(shè)的一種但是他與其他片內(nèi)外設(shè)有著一個很大的區(qū)別，從下圖可以看出，GPIO的位置在整個芯片的外圍，只有它能夠和外界接觸，整個芯片的所有片上外設(shè)以及內(nèi)核要和外部傳遞交換信息都必須經(jīng)過GPIO才能實現(xiàn)，他是連接單片機內(nèi)部和外部的通道，它既可以將內(nèi)核以及其他片內(nèi)外設(shè)的信息傳遞出來（輸出），也可以將片外外設(shè)的信息傳遞給內(nèi)核或者片內(nèi)外設(shè)（輸入），有時候兼顧輸入輸出的功能。

好了，關(guān)于GPIO有什么用，我們也有了基本的認(rèn)知，接下來，我們需要搞定今天的重點內(nèi)容，怎么用。

GPIO怎么用

在探究怎么用之前，還需要補充一點STM32上有關(guān)GPIO的相關(guān)內(nèi)容：

STM32上GPIO的命名以及數(shù)量

關(guān)于STM32上GPIO命名以及數(shù)量的問題，這個之前在芯片手冊那一段有提到過。
GPIO的端口號是從PA、PB——PI；一共9個端口號，每個端口號上有0-15共16個管腳號，也就是說，理論上一塊STM32單片機有著16*9=144個GPIO。
看到這，有的同學(xué)會有問題，你數(shù)理論上有144個GPIO，可是你上面的這個STM32F407VE就只有100個腳，而且還有那么多是電源和最小系統(tǒng)的專用腳，你這前后不對啊。
是的，我們的F407VE確實沒有144個GPIO，還記得我們之前在芯片命名處做過介紹嗎，根據(jù)命名的不同，芯片引腳數(shù)量是不一樣的，這中間省略掉的就是GPIO的數(shù)量。144個GPIO對于大多數(shù)項目來說太多了，造成了資源浪費。這也是為什么芯片型號如此豐富的原因了，我們在項目中選擇主控一定要注重適用性。
這里我們再拿STM32F407VE的芯片手冊圖來做個細(xì)致介紹，如下圖所示：

STM32F407VE一共有82個GPIO口，
其用到的GPIO端口號和管腳為：

端口號	管腳號	備注
GPIOA	0-15	通用輸入輸出
GPIOB	0-15	通用輸入輸出
GPIOC	0-15	通用輸入輸出
GPIOD	0-15	通用輸入輸出
GPIOE	0-15	通用輸入輸出共80個GPIO
GPIOH	0-1	外部時鐘接口

由此可見此款單片機一共有80個GPIO口，如果使用內(nèi)部時鐘的話，還可以擴展出GPIOH0與GPIOH1這兩個外部時鐘引腳。

GPIO口的框圖（重點）

接下來，就是本文的第一個大重點了，關(guān)于GPIO框圖的解釋，通過這個圖，我們需要基本弄清楚，1.GPIO口的輸入，輸出模式；2.每種模式對應(yīng)的作用；3.使用GPIO不同模式時需要使用哪些片內(nèi)外設(shè)，需要使用哪些寄存器。
編程手冊中關(guān)于GPIO的結(jié)構(gòu)圖介紹如下圖所示，官方是將所有模式以及輸入輸出整合在一張圖上面，為了方便理解，我們來做個拆分。

輸入框圖解析

對上圖稍微做了一個拆分，如下圖所示，此圖為GPIO的輸入框圖。
首先，從最左邊開始介紹，從圖中我們可以看出，最終輸入單片機內(nèi)核的方式一共有三種，第一種是經(jīng)過ADC的模擬輸入、第二種經(jīng)過其他片上外設(shè)的復(fù)用輸入，第三種是最下面的經(jīng)過輸入數(shù)據(jù)寄存器后直接輸入給內(nèi)核的，接下來我們來看一看這三種輸入的介紹。

三種輸入模式

1.模擬輸入:模擬輸入模式，見名知意，就是從片外外設(shè)輸入進(jìn)來的信號是模擬量。
這里需要對模擬量與數(shù)字量做個區(qū)分，我們都知道，單片機也好，電腦也好，他們所能識別以及處理的始終是二進(jìn)制數(shù)，也就是0101000…的數(shù)據(jù)串，這個1010100…組成的數(shù)據(jù)串就是數(shù)字量，通俗點說就是0和1，我數(shù)字量0和1對應(yīng)的模擬量電壓的低電平與高電平；那么什么是模擬量呢，就比如我們常見的電壓、溫度、濕度等等這些都叫做模擬量，總之就是需要經(jīng)過一定的電路轉(zhuǎn)換后才可以被單片機和電腦識別的量就是模擬量。
也正是因為單片機的內(nèi)核無法直接識別模擬量的輸入，所以外設(shè)的模擬量信號在進(jìn)入芯片后，需要經(jīng)過上圖中淺綠色的ADC這個模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量的片上外設(shè)才可以，也就是說，這種輸入模式是專門用來處理模擬信號的，當(dāng)我們確定輸入量是模擬量時就必須將GPIO配置成為模擬輸入模式。
2.復(fù)用輸入：關(guān)于復(fù)用輸入模式，在弄清楚了上面的模擬輸入后就可以對照了，既然為ADC專門開辟了一條輸入道路，其他的片上外設(shè)自然也得爭取一下，所以就有了復(fù)用輸入模式，這個復(fù)用輸入與模擬輸入的最大不同在于，其接收到的信號都是數(shù)字量，只是根據(jù)不同的片上外設(shè)需求對這些數(shù)字量進(jìn)行了定義，封裝，打包，在輸入內(nèi)核之前，需要經(jīng)這些對應(yīng)協(xié)議的片上外設(shè)進(jìn)行解析，拆包，然后再轉(zhuǎn)交給內(nèi)核處理。類似SPI、I2C、UART這些片上外設(shè)都是需要使用到這個模式的，當(dāng)我們確定輸入量需要使用這些片上外設(shè)進(jìn)行加工時就必須使用此模式。
3.通用輸入：最后一種輸入模式，就是通用輸入模式，說白了就是輸入狀態(tài)只有0與1兩種狀態(tài)，類似按鍵的按下、未按下，某種傳感器的閾值超標(biāo)或者沒超標(biāo)之類的只涉及開與關(guān)的監(jiān)測時，就是使用此模式。

GPIO輸入時內(nèi)部器件及其作用

至此，關(guān)于GPIO的三種輸入模式我們已經(jīng)搞清楚了，但是圖中還有一些器件的用處沒有提到，下面來做個簡單的介紹：（從右至左來看）

1.保護(hù)二極管

1.當(dāng)外設(shè)信號進(jìn)來之后首先經(jīng)過的是上下各有一個保護(hù)二極管的位置，這兩個二極管，可以成為鉗位二極管，也就是將輸入的電壓控制IO口可以接受的范圍內(nèi)，當(dāng)外界輸入信號的電壓高于VDD_FT時，上半部分的保護(hù)二極管會導(dǎo)通，將高電壓帶走，以此來保護(hù)IO以及單片機內(nèi)部電路如下圖所示：

同樣，當(dāng)輸入信號的電壓低于VSS時，下半部分的保護(hù)二管會導(dǎo)通，形成一個反向回路，從而保護(hù)IO口不被燒毀。

2.上下拉電阻（可配置）

2.經(jīng)過保護(hù)電路后，會看到如下圖所示的兩個可編程控制的上下拉電阻，關(guān)于這兩個電阻，一般是不會使用的，原因是其上下拉的能力有限，不是很穩(wěn)定，為了保證良率，一般都是采取IO口外部在上下拉電阻來實現(xiàn)，這個在明天的按鍵輸入編程中會有所體現(xiàn)。當(dāng)然也有部分廠家會節(jié)約成本，就是用內(nèi)部上拉下拉來實現(xiàn)控制IO口的初始狀態(tài)，這種現(xiàn)象我們遇到了在來介紹。在這里我們只需要知道這個電路使我們程序里面可以控制的即可。
上拉電阻:上拉功能，IO口空閑時間保持高電平，
下拉電阻：下拉功能，IO口空閑時間保持低電平。

3.施密特觸發(fā)器

3.經(jīng)過上下拉電阻電路后就是一個施密特觸發(fā)器，這個器件在編程中不需要我們來進(jìn)行操作，可以發(fā)現(xiàn)的是，第一種模擬輸入模式并沒有經(jīng)過它，而是直接走到了后面，這也從側(cè)面說明了它在此處的作用就是將模擬量的電信號，轉(zhuǎn)化成0與1的數(shù)字量，高電平經(jīng)過它就會輸出1，低電平經(jīng)過它就會輸出0.

4.輸入數(shù)據(jù)寄存器（內(nèi)核直接通過它讀取IO口高低電平）

4.最后是輸入數(shù)據(jù)寄存器，它的作用就是接收經(jīng)過施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，注意只是通用輸入模式時才有用，復(fù)用模式的數(shù)字量信號并沒有經(jīng)過它，我們在后面通過通用輸入模式獲取IO的電平狀態(tài)時就需要使用到這個寄存器。

有關(guān)輸入部分的介紹就先到這，后面設(shè)計到相關(guān)編程的時候再來細(xì)說。

輸出框圖解析

關(guān)于輸出框圖的解析，同樣我們還是將官方的圖紙簡化一下，將其中的輸出部分單獨拿出來。
如下圖所示，跟上面的輸入模式其實差不了太多，總的來說也是三種模式1.包含內(nèi)核直接輸出以及間接輸出的通用輸出模式；2.輸出經(jīng)過其他片上外設(shè)處理加工后再輸出的復(fù)用輸出模式；3.輸出經(jīng)過DAC的模擬輸出模式。

輸出的三種模式

1.通用輸出模式：就是直接使用內(nèi)核控制GPIO輸出高低電平進(jìn)行控制，不要經(jīng)過其他任何片內(nèi)外設(shè)的加工，最典型的就是對應(yīng)LED燈的控制。
2.復(fù)用輸出模式：復(fù)用輸出模式與上面的復(fù)用輸入模式一樣，就是內(nèi)核的數(shù)據(jù)輸出以后，需要經(jīng)過片上外設(shè)進(jìn)行特殊的加工，將數(shù)據(jù)封裝、定義、打包然后再將這些包數(shù)據(jù)傳輸給片外外設(shè)。一般外設(shè)有SPI、I2C、UART這類協(xié)議需求或者需要使用其他片上外設(shè)的時候就需要使用復(fù)用輸出模式。
3.模擬輸出模式：模擬輸出模式與上面的模擬輸入模式一樣，當(dāng)需要直接使用IO口輸出模擬量時，由于內(nèi)核是數(shù)字量，需要經(jīng)過DAC（數(shù)字轉(zhuǎn)模擬）的轉(zhuǎn)換后，再通過GPIO口輸出給外界，此模式也是DAC專用，其他的時候用不上。

GPIO輸出時內(nèi)部器件及其作用

關(guān)于輸出的整個框圖，我們還是從右向左來看，首先前面的保護(hù)二極管以及上下拉電阻的作用還是與輸入模式一樣，我們就不再解釋了，經(jīng)過這個部分后，我們來看看下圖這個紅框內(nèi)電路的作用。

1.輸出控制電路（可編程控制）

我們可以看見，通用輸出以及復(fù)用輸出都需要經(jīng)過紅色框的電路，唯獨模擬輸出不需要經(jīng)過，看了上面的輸入部分的框圖，大家是不是找到了一絲共性，輸入部分是模擬輸入不經(jīng)過施密特觸發(fā)器，通用輸入以及復(fù)用輸入需要經(jīng)過施密特觸發(fā)器；這里紅框的電路正好是施密特觸發(fā)器的逆電路，作用是將內(nèi)核已經(jīng)片上外設(shè)的數(shù)字量信號0與1轉(zhuǎn)行成高低電平，不同點在于，此處的紅框電路需要我們在程序上進(jìn)行控制，在紅框右下方寫著推挽、開漏以及靜止三種狀態(tài)，但實際編程操作時只有兩種狀態(tài)可以選擇，一種是推挽模式，一種是開漏模式有關(guān)這兩種模式的具體分析，這里給大家貼兩個鏈接，感興趣的可以去了解一下，不感興趣只需要有下面這印象就可以了，
**推挽模式：**紅框內(nèi)的PMOS與NMOS都可以正常使用，也就是說不需要外接什么電路就可以實現(xiàn)高低電平的輸出；
開漏模式：都漏了嘛，可以片面的理解為此模式不依靠外部上拉電路的話，就沒法輸出高電平，只能輸出低電平，實際上是PMOS被屏蔽了，沒法輸出高電平，在實際使用的過程中，只有同一個IO口既要做輸入又要做輸出，切外部有上拉電阻時才使用此模式，不然的話，多數(shù)都是使用推挽模式。
1.GPIO推挽輸出和開漏輸出模式區(qū)別詳解http://t.csdn.cn/M0zIQ
2.深刻理解GPIO(上拉輸入、下拉輸入、模擬輸入、浮空輸入，開漏輸出，推挽輸出的區(qū)別，以STM32為例)http://t.csdn.cn/HJ9Y7
3.開漏輸出和推挽輸出http://t.csdn.cn/k9zGX

2.通用輸出寄存器（內(nèi)核直接輸出高低電平到它）

最后就是下圖的輸出數(shù)據(jù)寄存器以及置位/復(fù)位寄存器了，關(guān)于這兩個寄存器，后面一般使用的是內(nèi)核直接輸出數(shù)據(jù)到輸出數(shù)據(jù)寄存器來實現(xiàn)高低電平，內(nèi)核經(jīng)過置位/復(fù)位寄存器后再輸出到輸出數(shù)據(jù)寄存器的間接輸出很少使用。

小結(jié)

至此關(guān)于GPIO的結(jié)構(gòu)以及輸入輸出模式的介紹就結(jié)束了，我們來總結(jié)一下，關(guān)于GPIO的輸入輸出，
GPIO的輸入模式（三種）：通用、復(fù)用、模擬；
GPIO的輸出模式（也是三種）：通用、復(fù)用、模擬；
其中輸入輸出是模擬量的時候使用的就是模擬輸入模式以及模擬輸出模式
輸入輸出需要使用到片上外設(shè)時就需要使用復(fù)用輸入模式以及復(fù)用輸出模式
內(nèi)核通過GPIO直接控制GPIO進(jìn)行輸入以及輸出時就是用通用輸入以及通用輸出模式。
然后是上下拉，一般不用，都是采取外部電路來實現(xiàn)的，配置過程中一般采用浮空；
再就是輸出中的推挽以及開漏模式，推挽是可以不借助外部電路就輸出高低電平，開漏需要借助外部上拉電路才可以實現(xiàn)，開漏模式一般用于IO口既要作為輸入又要作為輸出時，例如I2C的數(shù)據(jù)線，單總線的DS18B20、DHT11等等。

舉例練習(xí)

上面介紹了這么多，我們來幾個實際的例子來看一下：
首先是常見的LED電路，很明顯，為了驅(qū)動LED小燈，我們需要選用輸出模式，此電路中沒有上拉電路，為了控制小燈的亮滅，我們需要使用推挽輸出模式，由于整個過程只需要通過內(nèi)核控制GPIO即可實現(xiàn)，所以最終PA6與PA7的模式選擇就是通用推挽輸出模式，且輸出低電平小燈亮，輸出高電平小燈滅。

然后是按鍵輸入電路，如下圖所示：首先肯定要配置為通用輸入模式，由于有外部上拉電路，空閑狀態(tài)是高電平，所以不需要配置上下拉。

再看一個特例：下圖中就是沒有外部上拉的按鍵輸入，首先通用輸入模式，由于沒有外部上拉，我們需要保證空閑狀態(tài)可控，且能夠有效檢測按下的低電平，這時候就需要額外配置一步上拉模式。

另外一種就是使用到IIC或者SPI等片上外設(shè)的時候就需要使用到復(fù)用模式。

而當(dāng)GPIO使用到下面框圖里面的ADC、DAC功能時我們就需要配置為模擬模式。

總結(jié)

本文主要是介紹了STM32的GPIO是什么，有什么用，以及怎么用，看完上面的這些，我們再回頭看一眼官方的GPIO功能描述，他一共有八種模式，其實也就是我們上面提到的通用、復(fù)用、模擬與輸入輸出，以及推挽開漏，上拉下拉的組合搭配。

本文重點

1.理解STM32的GPIO命名規(guī)則，能夠通過對應(yīng)芯片手冊查詢對應(yīng)的GPIO口數(shù)量；
2.熟悉STM32的輸入輸出框圖，掌握各種模式的特征，清楚什么樣的外設(shè)要使用什么樣的模式來進(jìn)行操作。