1 GPIO简介

GPIO是通用输入输出端口的简称，简单来说就是STM32可控制的引脚，STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通讯、控制以及数据采集的功能。STM32芯片的GPIO被分成很多组，每组有16个引脚，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。上电复位后，GPIO默认为浮空状态，部分特殊功能引脚为特定状态。
最基本的输出功能是由STM32控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入LED灯，那就可以控制LED灯的亮灭，引脚接入到继电器或三极管，那就可以通过继电器或三极管控制外部大功率电路的通断。最基本的输入功能是检测外部电平，如把GPIO引脚连接到按键，通过电平高低区分按键是否被按下。

       STM32的 GPIO模式有以下几种：
                GPIO_Mode_AIN ---------------------- 模拟输入
                GPIO_Mode_IN_FLOATING -------- 输入浮空
                  GPIO_Mode_IPD ---------------------- 输入下拉
                GPIO_Mode_IPU ---------------------- 输入上拉
                GPIO_Mode_Out_OD ---------------- 开漏输出
                GPIO_Mode_Out_PP ---------------- 推挽式输出
                GPIO_Mode_AF_OD ---------------- 开漏复用功能
                GPIO_Mode_AF_PP ----------------- 推挽式复用功能

typedef enum
{ 
  GPIO_Mode_AIN = 0x0,
  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,
  GPIO_Mode_IPD = 0x28,
  GPIO_Mode_IPU = 0x48,
  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,
  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18
} GPIOMode_TypeDef;

保护二极管及上、下拉电阻：

引脚的两个保护二极管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入，当引脚电压高于 $V_{DD-FT}$ 时，上方的二极管导通，当引脚电压低于Vss时，下方的二极管导通，防止不正常电压引入芯片导致芯片烧毁。但是尽管如此，还是不能直接外接大功率器件，须加大功率及隔离电路驱动，防止烧坏芯片或者外接器件无法正常工作。

上下拉电阻，从它的结构我们可以看出，通过上、下拉电阻的开关配置，我们可以控制引脚默认状态的电压，开启上拉的时候引脚电压为高电平，开启下拉的时候引脚电压为低电平。也可以设置“既不上拉也不下拉模式”，我们也把这种状态称为浮空模式，配置成这个模式时，直接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定的值。所以一般来说我们都会选择给引脚设置“上拉模式”或“下拉模式”使它有默认状态。STM32的内部上拉时“弱上拉”，即通过上拉输出的电流时很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉，通过“上拉/下拉寄存器GPIOx_CRL和GPIOx_CRH”控制引脚的上、下拉及浮空模式。

TTL施密特触发器：

基本原理是当输入电压高于正向阈值电压，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压，输出为低；信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号。但是，当GPIO引脚作为ADC采集电压的输入通道时，用其“模拟输入”功能，此时信号不再经过触发器进行TTL电平转换。ADC外设要采集到的原始的模拟信号。IO口信号经过触发器后，模拟信号转化为0和1的数字信号也就是高低电平并且是TTL电平协议这也是为什么STM32是TTL电平协议的原因。

P-MOS管和N-MOS管：

GPIO引脚线路经过两个保护二极管后，向上流向“输入模式”结构，向下流向“输出模式”结构。先看输出模式部分，线路经过一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元电路，这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。
所谓的推挽输出模式，是根据这两个MOS管的工作方式来命名的。在该结构中输入高电平时，经过反向后，上方的P-MOS导通，下方的N-MOS关闭，对外输出高电平；而在该结构中输入低电平时，经过反向后，N-MOS导通，P-MOS关闭，对外输出低电平，当引脚高低电平切换时，两个管子轮流导通，P管负责灌电流，N管负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式由很大的提高。推挽输出的低电平为0伏，高电平为3.3V，如下图，它是推挽输出模式时的等效电路。

而在开漏输出模式时，上方的P-MOS完全不工作。如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管完全关闭，N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1（它无法直接输出高电平）时，则P-MOS和N-MOS都关闭，所以引脚既不输出高电平也不输出低电平，为高阻态。为了正常使用时必须外部接上拉电阻，参考下图中的等效电路。它具有“线与”特性，也就是说，若有很多个开漏模式引脚连接到一起时，只有当所有引脚都输出高阻态，才由上拉电阻提供高电平，此电平的电压为外部上拉电阻所接的电源的电压。若其中一个引脚为低电平，那线路就相当于短路接地，使得整条线路都为低电平，0伏。

推挽输出模式一般应用在输出电平0和3.3伏而且需要高速切换开关状态的场合。在STM32的应用中，除了必须用开漏模式的场合，我们都习惯使用推挽输出模式。开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通讯等需要“线与”功能的总线电路中。除此之外，还用在电平不匹配的场合，如需要输出5伏的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5伏，并且把GPIO设置为开漏模式，当输出高阻态时，由上拉电阻和电源向外输出5伏电平，如下图所示。

这里需要注意的是，在查看《STM32中文参考手册V10》中的GPIO的表格时，会看到有“FT”一列，这代表着这个GPIO口时兼容3.3V和5V的；如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。

2 GPIO设置模式

根据上面的几种模式，可以大致分为 4种模式：输入、输出、复用、模拟。先来了解一下M3和M4 I/O口总的功能结构：

2.1 输入配置

        当I/O端口配置为输入时：
                ● 输出缓冲器被禁止
                ● 施密特触发输入被激活
                ● 根据输入配置(上拉，下拉或浮动)的不同，弱上拉和下拉电阻被连接
                ● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器
                ● 对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态

下图给出了I/O端口位的输入配置：

浮空输入模式：GPIO_Mode_IN_FLOATING

浮空输入模式下，I/O端口的电平信号直接进入输入数据寄存器。电平进入后，不经过上下拉，在触发施密特触发器后，进入输入数据寄存器，最后由CPU读取。MCU直接读取I/O口电平，I/O的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定；如果在该引脚悬空（在无信号输入）的情况下，读取该端口的电平是不确定的。 (接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值) 以用来做KEY识别。

输入上拉模式：GPIO_Mode_IPU

IO内部接上拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为高电平，如果I/O口输入低电平，那么引脚就为低电平，MCU读取到的就是低电平。STM32的内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的，如要求大电流还是需要外部上拉。触发时需要低电平触发，有上拉电阻存在，使得端口为高电平，达到抗干扰作用，只接受低电平！

输入下拉模式：GPIO_Mode_IPD

IO内部接下拉电阻，此时如果IO口外部没有信号输入或者引脚悬空，IO口默认为低电平，如果I/O口输入高电平，那么引脚就为高电平，MCU读取到的就是高电平。需要高电平触发，有下拉电阻存在，使得端口为低电平，达到抗干扰作用，只接受高电平！

GPIO输入模式总结：

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止。数据寄存器每隔1个AHB1时钟周期更新一次，可通过数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。其中F1的AHB1的时钟如按默认配置一般为72MHz，F4的AHB1的时钟如按默认配置一般为180MHz。

2.2 输出配置

        当I/O端口被配置为输出时：
                ● 输出缓冲器被激活
                        ─ 开漏模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将端口置于高阻状态(P-MOS从不被激活)。
                        ─ 推挽模式：输出寄存器上的’0’激活N-MOS，而输出寄存器上的’1’将激活P-MOS。
                ● 施密特触发输入被激活
                ● 弱上拉和下拉电阻被禁止
                ● 出现在I/O脚上的数据在每个APB2时钟被采样到输入数据寄存器
                ● 在开漏模式时，对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态
                ● 在推挽式模式时，对输出数据寄存器的读访问得到最后一次写的值。

下图给出了I/O端口位的输出配置：

开漏输出模式：GPIO_Mode_Out_OD

CPU先写入输出数据寄存器中，再经过输出控制电路，最终到达端口（在此模式下，IO口也可以读取IO口电压）。在开漏输出模式时，只有N-MOS管工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1时，高电平，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，输出指令就不会起到作用，此时I/O端口的电平就不会由输出的高电平决定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉决定如果没有上拉或者下拉 IO口就处于悬空状态，并且此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。，I/O口的电平不一定是输出的电平。
        优点：
        1）输出端相当于三极管的集电极，要得到高电平需要上拉电阻才行，适合做电流型的驱动，其吸收电流的能力较强（20ma以内）
        2）开漏是用来连接不同电平的器件，匹配电平用的，因为开漏引脚不连接外部的上拉电阻时，只能输出低电平，如果需要同时具备输出高电平的功能，则需要接上拉电阻，很好的一个优点是通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等。但其也带来上升沿的延时！
        3）可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。通过一只上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，形成“与逻辑”关系。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。
        （补充：什么是“线与”？：在一个结点(线)上, 连接一个上拉电阻到电源 VCC 或 VDD 和 n 个 NPN 或 NMOS 晶体管的集电极 C 或漏极 D, 这些晶体管的发射极 E 或源极 S 都接到地线上, 只要有一个晶体管饱和, 这个结点(线)就被拉到地线电平上. 因为这些晶体管的基极注入电流(NPN)或栅极加上高电平(NMOS),晶体管就会饱和, 所以这些基极或栅极对这个结点(线)的关系是或非NOR 逻辑. 如果这个结点后面加一个反相器, 就是或 OR 逻辑.）

推挽输出模式：GPIO_Mode_Out_PP

        CPU先写入输出数据寄存器中，再经过输出控制电路，最终到达端口（在此模式下，IO口也可以读取IO口电压），与开漏输出在于其在经过输出控制电路后面的MOS管不同！在推挽输出模式时，N-MOS管和P-MOS管都工作，如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出低电平，I/O端口的电平就是低电平，若控制输出为1 高电平，则P-MOS管导通N-MOS管关闭，使输出高电平，I/O端口的电平就是高电平，外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出时IO口电平。此时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。I/O口的电平一定是输出的电平。
        优点：
        推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET,以推挽方式存在于电路中,各负责正负半周的波形放大任务,电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

GPIO输出模式总结：

        在输出模式中，输出使能，推挽模式时以双MOS管的方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低点评。开漏模式时，只有N-MOS工作，输出数据寄存器可控制I/O输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz\25MHz\50MHz的选项。此处的输出速度即I/O支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求不严格，把速度设置成最大即可。
        此时施密特触发器时打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR可读取I/O的实际状态。
        用于输出模式时，可使用上拉、下拉或悬空模式。但此时由于输出模式时引脚电平会收到ODR寄存器的影响，而ODR寄存器对应引脚的位为0，即引脚初始化后默认输出低电平，所以在这种情况下，上拉只能起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。

2.3 复用功能配置

        当I/O端口被配置为复用功能时：
                ● 在开漏或推挽式配置中，输出缓冲器被打开
                ● 内置外设的信号驱动输出缓冲器(复用功能输出)
                ● 施密特触发输入被激活
                ● 弱上拉和下拉电阻被禁止
                ● 在每个APB2时钟周期，出现在I/O脚上的数据被采样到输入数据寄存器
                ● 开漏模式时，读输入数据寄存器时可得到I/O口状态
                ● 在推挽模式时，读输出数据寄存器时可得到最后一次写的值

下图示出了I/O端口位的复用功能配置。一组复用功能I/O寄存器允许用户把一些复用功能重新映象到不同的引脚。

开漏复用输出模式：GPIO_Mode_AF_OD
复用与不是复用的区别在于———非复用输出是cpu控制，复用功能则是从复用功能输出口上接受输出信号，可以是从外设接受输入信号输出。GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输出的高低电平的来源于其它外设，施密特触发器打开，输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态除了输出信号的来源改变其他与开漏输出功能相同。

推挽复用输出模式：GPIO_Mode_AF_PP

复用功能与之前类似，输出信号来源来自复用功能输出口。与开漏复用输出在于其在经过输出控制电路后面的MOS管不同！

GPIO复用功能总结：

复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；输入可用，通过输入数据寄存器可获取I/O实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。
用于复用功能时，可使用上拉、下拉或者浮空模式。同输出模式，在这种情况下，初始化后引脚默认输出低电平，上拉只起到小幅提高输出电流能力，但不会影响引脚的默认状态。

2.4 模拟输入配置

         当I/O端口被配置为模拟输入配置时：
                ● 输出缓冲器被禁止
                ● 禁止施密特触发输入，实现了每个模拟I/O引脚上的零消耗。施密特触发输出值被强置为’0’
                ● 弱上拉和下拉电阻被禁止
                ● 读取输入数据寄存器时数值为’0’

下图示出了I/O端口位的高阻抗模拟输入配置：

模拟输入通道：GPIO_Mode_AIN

当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，输入没有上拉下拉电阻，这个时候即使配置了上拉或下拉模式，也不会影响到模拟信号的输入输出，且输入的是电压而非电平（电平只有高低之分，电压则是一个连续值），该输入方式可用于AD转换接受模拟信号。当GPIO引脚用于ADC采集电压的输入通道时，用作"模拟输入"功能，此时信号不经过施密特触发器，直接直接进入ADC模块，并且输入数据寄存器为空，CPU不能在输入数据寄存器上读到引脚状态。
除了 ADC 和 DAC 要将 IO 配置为模拟通道之外其他外设功能一律要配置为复用功能模式。

GPIO模拟输入功能总结：

模拟输入输出模式中，双MOS管结构被关闭，施密特触发器停用，上/下拉也被禁止，其他外设通过模拟通道进行输入输出。

       IO口总结：
                在STM32中选用IO模式总结：
                （1）浮空输入_IN_FLOATING ——浮空输入，可以做KEY识别
                （2）带上拉输入_IPU——IO内部上拉电阻输入
                （3）带下拉输入_IPD—— IO内部下拉电阻输入
                （4）模拟输入_AIN ——应用ADC模拟输入，或者低功耗下省电
                （5）开漏输出_OUT_OD ——IO输出0接GND，IO输出1，悬空，需要外接上拉电阻，才能实现输出高电平。当输出为1时，IO口的状态由上拉电阻拉高电平，但由于是开漏输出模式，这样IO口也就可以由外部电路改变为低电平或不变。可以读IO输入电平变化，实现STM32的IO双向功能
                （6）推挽输出_OUT_PP ——IO输出0-接GND， IO输出1 -接VCC，读输入值是未知的
                （7）复用功能的推挽输出_AF_PP ——片内外设功能（I2C的SCL,SDA）
                （8）复用功能的开漏输出_AF_OD——片内外设功能（TX1,MOSI,MISO.SCK.SS）
                正点原子对常用输入输出方式的作用的总结：
                （1）作为普通GPIO 输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
                （2）作为普通GPIO 输出：根据需要配置该引脚为推挽输出或开漏输出，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
                （3）作为普通模拟输入：配置该引脚为模拟输入模式，同时不要使能该引脚对应的所有复用功能模块。
                （4）作为内置外设的输入：根据需要配置该引脚为浮空输入、带弱上拉输入或带弱下拉输入，同时使能该引脚对应的某个复用功能模块。
                （5）作为内置外设的输出：根据需要配置该引脚为复用推挽输出或复用开漏输出，同时使能该引脚对应的所有复用功能模块。

3 外设 I/O配置模式选择

高级定时器TIM1/TIM8：

通用定时器TIM2/3/4/5：

USART：

SPI：

I2S：

I2C接口：

BxCAN：

USB：

全速USB OTG引脚配置：

SDIO：

ADC/DAC：

FSMC：

其它I/O功能：

4 F1寄存器配置

端口配置低寄存器(GPIOx_CRL) (x=A..E)

端口配置高寄存器(GPIOx_CRH) (x=A..E)

端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR) (x=A..E)

看GPIO结构框图的上半部分，它时GPIO引脚经过上、下拉电阻后引入的，它连接到施密特触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1的数字信号，然后存储再“输出数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR) (x=A..E)

前面提到的双MOS管结构电路的输入信号，是由GPIO“端口输出数据寄存器“GPIOx_ODR”提供的，因此我们通过修改输出数据寄存器的值就可以修改GPIO引脚的输出电平。

端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR) (x=A..E)

”端口位设置/清除寄存器GPIOx_BSRR“可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

端口位清除寄存器(GPIOx_BRR) (x=A..E)

”端口位清除寄存器GPIOx_BRR“可以通过修改输出数据寄存器的值从而影响电路的输出。

端口配置锁定寄存器(GPIOx_LCKR) (x=A..E)

5 F4寄存器配置

端口模式寄存器(GPIOx_MODER)

端口输出类型寄存器(GPIOx_OTYPER)

端口输出速度寄存器(GPIOx_OSPEEDR)

端口上拉/下拉寄存器(GPIOx_PUPDR)

端口输入数据寄存器(GPIOx_IDR)

端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR)

端口置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)

端口配置锁存寄存器（GPIOx_LCKR ）

复位功能寄存器（低位GPIOx_AFRL & GPIOx_AFRH)

6 GPIO的初始化(F1)

我们以初始化LED为例

6.1 定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体*/

一共有3个参数

typedef struct
{
  uint16_t GPIO_Pin;             /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.
                                      This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */
  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;  /*!< Specifies the speed for the selected pins.
                                      This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */
  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;    /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.
                                      This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */
}GPIO_InitTypeDef;

6.2 开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*开启 AHB1时钟*/

相对应的外设功能所使用的时钟在stm32f10x_rcc.h 中即可查看到,下面是部分时钟：

//APB2_peripheral
#define RCC_APB2Periph_AFIO              ((uint32_t)0x00000001)
#define RCC_APB2Periph_GPIOA             ((uint32_t)0x00000004)
#define RCC_APB2Periph_GPIOB             ((uint32_t)0x00000008)
#define RCC_APB2Periph_GPIOC             ((uint32_t)0x00000010)
#define RCC_APB2Periph_GPIOD             ((uint32_t)0x00000020)
#define RCC_APB2Periph_GPIOE             ((uint32_t)0x00000040)
#define RCC_APB2Periph_GPIOF             ((uint32_t)0x00000080)
#define RCC_APB2Periph_GPIOG             ((uint32_t)0x00000100)
#define RCC_APB2Periph_ADC1              ((uint32_t)0x00000200)
#define RCC_APB2Periph_ADC2              ((uint32_t)0x00000400)
#define RCC_APB2Periph_TIM1              ((uint32_t)0x00000800)
#define RCC_APB2Periph_SPI1              ((uint32_t)0x00001000)
#define RCC_APB2Periph_TIM8              ((uint32_t)0x00002000)
#define RCC_APB2Periph_USART1            ((uint32_t)0x00004000)
#define RCC_APB2Periph_ADC3              ((uint32_t)0x00008000)
#define RCC_APB2Periph_TIM15             ((uint32_t)0x00010000)
#define RCC_APB2Periph_TIM16             ((uint32_t)0x00020000)
#define RCC_APB2Periph_TIM17             ((uint32_t)0x00040000)
#define RCC_APB2Periph_TIM9              ((uint32_t)0x00080000)
#define RCC_APB2Periph_TIM10             ((uint32_t)0x00100000)
#define RCC_APB2Periph_TIM11             ((uint32_t)0x00200000)

6.3 选择要控制的 GPIO 引脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 ; /*选择Pin9引脚*/

可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚

#define GPIO_Pin_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected */
#define GPIO_Pin_1                 ((uint16_t)0x0002)  /* Pin 1 selected */
#define GPIO_Pin_2                 ((uint16_t)0x0004)  /* Pin 2 selected */
#define GPIO_Pin_3                 ((uint16_t)0x0008)  /* Pin 3 selected */
#define GPIO_Pin_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected */
#define GPIO_Pin_5                 ((uint16_t)0x0020)  /* Pin 5 selected */
#define GPIO_Pin_6                 ((uint16_t)0x0040)  /* Pin 6 selected */
#define GPIO_Pin_7                 ((uint16_t)0x0080)  /* Pin 7 selected */
#define GPIO_Pin_8                 ((uint16_t)0x0100)  /* Pin 8 selected */
#define GPIO_Pin_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13                ((uint16_t)0x2000)  /* Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14                ((uint16_t)0x4000)  /* Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15                ((uint16_t)0x8000)  /* Pin 15 selected */

6.4 设置所选引脚的模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; /*设定为推挽输出模式*/

引脚的模式共有八种，分别为模拟输入，输入浮空，输入下拉，输入上拉，开漏输出，推挽式输出，开漏复用功能，推挽式复用功能

typedef enum
{ GPIO_Mode_AIN = 0x0,
  GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,
  GPIO_Mode_IPD = 0x28,
  GPIO_Mode_IPU = 0x48,
  GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,
  GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,
  GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,
  GPIO_Mode_AF_PP = 0x18
}GPIOMode_TypeDef;

6.5 设定所选管脚的速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; /*设定速度为50MHz 高速模式*/

typedef enum
{ 
  GPIO_Speed_10MHz = 1,
  GPIO_Speed_2MHz, 
  GPIO_Speed_50MHz
}GPIOSpeed_TypeDef;

6.6 初始化GPIO

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化所设置的引脚

GPIO_Init() 是官方配置的初始化函数 第一个参数是GPIOX 第二个参数是结构体所对应GPIO各种参数的配置

7 GPIO的初始化(F4)

我们以初始化LED为例

7.1 定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体*/

一共有5个参数

typedef struct
{
  uint32_t GPIO_Pin;              /*!< Specifies the GPIO pins to be configured.
                                       This parameter can be any value of @ref GPIO_pins_define */
  GPIOMode_TypeDef GPIO_Mode;     /*!< Specifies the operating mode for the selected pins.
                                       This parameter can be a value of @ref GPIOMode_TypeDef */
  GPIOSpeed_TypeDef GPIO_Speed;   /*!< Specifies the speed for the selected pins.
                                       This parameter can be a value of @ref GPIOSpeed_TypeDef */
  GPIOOType_TypeDef GPIO_OType;   /*!< Specifies the operating output type for the selected pins.
                                       This parameter can be a value of @ref GPIOOType_TypeDef */
  GPIOPuPd_TypeDef GPIO_PuPd;     /*!< Specifies the operating Pull-up/Pull down for the selected pins.
                                       This parameter can be a value of @ref GPIOPuPd_TypeDef */
}GPIO_InitTypeDef;

7.2 开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

RCC_AHB1PeriphClockCmd ( RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /*开启 AHB1时钟*/

Q:为什么要设置时钟？
任何外设都需要时钟，51单片机，stm32，430等等，因为寄存器是由D触发器组成的，往触发器里面写东西，前提条件是有时钟输入。stm32是低功耗，他将所有的门都默认设置为disable(不使能)，在你需要用哪个门的时候，开哪个门就可以，也就是说用到什么外设，只要打开对应外设的时钟就可以，其他的没用到的可以还是disable(不使能)，这样耗能就会减少。
Q:为什么 STM32 要有多个时钟源呢？
因为首先STM32本身非常复杂，外设非常的多，但是并不是所有外设都需要系统时钟这么高的频率，比如看门狗以及 RTC 只需要几十k的时钟即可。同一个电路，时钟越快功耗越大，同时抗电磁干扰能力也会越弱，所以对于较为复杂的 MCU 一般都是采取多时钟源的方法来解决这些问题。

相对应的外设功能所使用的时钟在stm32f4xx_rcc.h 中即可查看到,下面是部分时钟：

//RCC_AHB1_Peripherals
#define RCC_AHB1Periph_GPIOA             ((uint32_t)0x00000001)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOB             ((uint32_t)0x00000002)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOC             ((uint32_t)0x00000004)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOD             ((uint32_t)0x00000008)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOE             ((uint32_t)0x00000010)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOF             ((uint32_t)0x00000020)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOG             ((uint32_t)0x00000040)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOH             ((uint32_t)0x00000080)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOI             ((uint32_t)0x00000100) 
#define RCC_AHB1Periph_GPIOJ             ((uint32_t)0x00000200)
#define RCC_AHB1Periph_GPIOK             ((uint32_t)0x00000400)
#define RCC_AHB1Periph_CRC               ((uint32_t)0x00001000)
#define RCC_AHB1Periph_FLITF             ((uint32_t)0x00008000)
#define RCC_AHB1Periph_SRAM1             ((uint32_t)0x00010000)
#define RCC_AHB1Periph_SRAM2             ((uint32_t)0x00020000)
#define RCC_AHB1Periph_BKPSRAM           ((uint32_t)0x00040000)
#define RCC_AHB1Periph_SRAM3             ((uint32_t)0x00080000)
#define RCC_AHB1Periph_CCMDATARAMEN      ((uint32_t)0x00100000)
#define RCC_AHB1Periph_DMA1              ((uint32_t)0x00200000)
#define RCC_AHB1Periph_DMA2              ((uint32_t)0x00400000)
#define RCC_AHB1Periph_DMA2D             ((uint32_t)0x00800000)
#define RCC_AHB1Periph_ETH_MAC           ((uint32_t)0x02000000)
#define RCC_AHB1Periph_ETH_MAC_Tx        ((uint32_t)0x04000000)
#define RCC_AHB1Periph_ETH_MAC_Rx        ((uint32_t)0x08000000)
#define RCC_AHB1Periph_ETH_MAC_PTP       ((uint32_t)0x10000000)
#define RCC_AHB1Periph_OTG_HS            ((uint32_t)0x20000000)
#define RCC_AHB1Periph_OTG_HS_ULPI       ((uint32_t)0x40000000)

#define IS_RCC_AHB1_CLOCK_PERIPH(PERIPH) ((((PERIPH) & 0x810BE800) == 0x00) && ((PERIPH) != 0x00))
#define IS_RCC_AHB1_RESET_PERIPH(PERIPH) ((((PERIPH) & 0xDD1FE800) == 0x00) && ((PERIPH) != 0x00))
#define IS_RCC_AHB1_LPMODE_PERIPH(PERIPH) ((((PERIPH) & 0x81106800) == 0x00) && ((PERIPH) != 0x00))

7.3 选择要控制的 GPIO 引脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; /*选择Pin9引脚*/

可选引脚为0-15 一组IO口有16个引脚

#define GPIO_Pin_0                 ((uint16_t)0x0001)  /* Pin 0 selected */
#define GPIO_Pin_1                 ((uint16_t)0x0002)  /* Pin 1 selected */
#define GPIO_Pin_2                 ((uint16_t)0x0004)  /* Pin 2 selected */
#define GPIO_Pin_3                 ((uint16_t)0x0008)  /* Pin 3 selected */
#define GPIO_Pin_4                 ((uint16_t)0x0010)  /* Pin 4 selected */
#define GPIO_Pin_5                 ((uint16_t)0x0020)  /* Pin 5 selected */
#define GPIO_Pin_6                 ((uint16_t)0x0040)  /* Pin 6 selected */
#define GPIO_Pin_7                 ((uint16_t)0x0080)  /* Pin 7 selected */
#define GPIO_Pin_8                 ((uint16_t)0x0100)  /* Pin 8 selected */
#define GPIO_Pin_9                 ((uint16_t)0x0200)  /* Pin 9 selected */
#define GPIO_Pin_10                ((uint16_t)0x0400)  /* Pin 10 selected */
#define GPIO_Pin_11                ((uint16_t)0x0800)  /* Pin 11 selected */
#define GPIO_Pin_12                ((uint16_t)0x1000)  /* Pin 12 selected */
#define GPIO_Pin_13                ((uint16_t)0x2000)  /* Pin 13 selected */
#define GPIO_Pin_14                ((uint16_t)0x4000)  /* Pin 14 selected */
#define GPIO_Pin_15                ((uint16_t)0x8000)  /* Pin 15 selected */
#define GPIO_Pin_All               ((uint16_t)0xFFFF)  /* All pins selected */

7.4 设置所选引脚的模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; /*设定为输出模式*/

引脚的模式共有四种，分别为输入，输出，复用，和模拟模式

typedef enum
{ 
  GPIO_Mode_IN   = 0x00, /*!< GPIO Input Mode */
  GPIO_Mode_OUT  = 0x01, /*!< GPIO Output Mode */
  GPIO_Mode_AF   = 0x02, /*!< GPIO Alternate function Mode */
  GPIO_Mode_AN   = 0x03  /*!< GPIO Analog Mode */
}GPIOMode_TypeDef;

7.5 设定所选引脚的输出类型

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; /*设置引脚的输出类型为推挽输出*/

输出模式有两种：推挽输出和开漏输出

typedef enum
{ 
  GPIO_OType_PP = 0x00,
  GPIO_OType_OD = 0x01
}GPIOOType_TypeDef;

只有输出模式才需要配置，输入模式下不需要配置

7.6 设定所选管脚的速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//设定速度为100MHz 高速模式

typedef enum
{ 
  GPIO_Low_Speed     = 0x00, /*!< Low speed    */
  GPIO_Medium_Speed  = 0x01, /*!< Medium speed */
  GPIO_Fast_Speed    = 0x02, /*!< Fast speed   */
  GPIO_High_Speed    = 0x03  /*!< High speed   */
}GPIOSpeed_TypeDef;

/* Add legacy definition */
#define  GPIO_Speed_2MHz    GPIO_Low_Speed    
#define  GPIO_Speed_25MHz   GPIO_Medium_Speed 
#define  GPIO_Speed_50MHz   GPIO_Fast_Speed 
#define  GPIO_Speed_100MHz  GPIO_High_Speed

7.7 设定所选管脚的上拉与下拉

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; /*设置引脚为上拉模式*/

可设置为：上拉，下拉，与浮空

typedef enum
{ 
  GPIO_PuPd_NOPULL = 0x00,
  GPIO_PuPd_UP     = 0x01,
  GPIO_PuPd_DOWN   = 0x02
}GPIOPuPd_TypeDef;

7.8 初始化GPIO

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化所设置的引脚

GPIO_Init() 是官方配置的初始化函数 第一个参数是GPIOX 第二个参数是结构体所对应GPIO各种参数的配置

8 stm32 GPIO速率

8.1 GPIO 引脚速度

        GPIO 引脚输出速度有：GPIO_Speed_2MHz(10MHz，50MHz，100MHz)
        官方一点的解释：GPIO口的驱动电路响应速度，不是输出信号的速度。输出信号的速度与程序有关，通过选择速度来选择不同的驱动电路，降低功耗控制噪声。又称输出驱动电路的响应速度：（芯片内部在I/O口的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路，用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路，通过选择速度来选择不同的输出驱动模块，达到最佳的噪声控制和降低功耗的目的。）
        可理解为: 输出驱动电路的带宽：即一个驱动电路可以不失真地通过信号的最大频率。(如果一个信号的频率超过了驱动电路的响应速度，就有可能信号失真。) 例如如果信号频率为10MHz，而你配置了2MHz的带宽，则10MHz的方波很可能就变成了正弦波。就好比是公路的设计时速，汽车速度低于设计时速时，可以平稳地运行，如果超过设计时速就会颠簸，甚至翻车。
        关键是：GPIO的引脚速度跟应用相匹配，速度配置越高，输出驱动电路的带宽越大，噪声也越大，功耗越大，速度配置越低，输出驱动电路的带宽越小，噪声也越小，功耗越小。使用合适的驱动器可以降低功耗和噪声。我们选择的只是不同的输出驱动电路，而电路在设计好了后它本身的带宽也就确定了，也就是说这个速率（带宽）与系统时钟无关。

比如：高频的驱动电路，噪声也高，当不需要高的输出频率时，请选用低频驱动电路，这样非常有利于提高系统的EMI性能。当然如果要输出较高频率的信号，但却选用了较低频率的驱动模块，很可能会得到失真的输出信号。关键是GPIO的引脚速度跟应用匹配（推荐10倍以上）。
比如：
1）USART串口，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就够了，既省电也噪声小。
2）I2C接口，若使用400k波特率，若想把余量留大些，可以选用10M的GPIO引脚速度。
3）SPI接口，若使用18M或9M波特率，需要选用50M的GPIO的引脚速度。

8.2 GPIO的翻转速度

GPIO的翻转速度指：输入/输出寄存器的0 ，1 值反映到外部引脚(APB2上)高低电平的速度。F1手册上指出GPIO最大翻转速度可达18MHz。

通过简单的程序测试，用示波器观察到的翻转时间: 是综合的时间，包括取指令的时间、指令执行的时间、指令执行后信号传递到寄存器的时间(这其中可能经过很多环节，比如AHB、APB、总线仲裁等)，最后才是信号从寄存器传输到引脚所经历的时间。

如：有上拉电阻，其阻值越大，RC延时越大，即逻辑电平转换的速度越慢，功耗越大。

8.3 GPIO的输出速度

GPIO 输出速度：与程序有关，(程序中写的多久输出一个信号)。

9 stm32端口重映射

重映射：为了使不同器件封装的外设 IO 功能数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一些引脚上，目的为了让设计工程师可以更好地安排引脚的走向和功能，在 STM32 中引入了外设引脚重映射的概念，即一个外设的引脚除了具有默认的端口外，还可以通过设置重映射寄存器的方式，把这个外设的引脚映射到其它的端口。简单的讲就是把管脚的外设功能映射到另一个管脚去使用，但是不是可以随便映射的，根据手册是否可以映射。

        重映射技术的需求背景：
1）I/O的复用：GPIO和内置外设共用引出管脚
        2）I/O的重映射：复用功能（AFIO）从不同的GPIO管脚引出
        3）方便了PCB的设计，减少了信号交叉干扰
        4）分时复用某些外设，虚拟地增加了端口数目
        5）为了使不同器件封装的外设IO功能数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一些引脚上。STM32中有很多内置外设的输入输出引脚都具有重映射(remap)的功能。

以串口1为例：

上图中的，Remap对应的I/O就是可以重映射到的I/O，Default就是该I/O默认可复用的功能。从上图中可以看出串口1 可以重映射到 PB6和PB7引脚，也就是说如果PA9和PA10引脚不好用的时候，或者已经被占用了；那么可以用PB6和PB7来实现串口1的功能。

9.1 AFIO重映射的操作步骤

1）使能被重新映射到的I/O端口时钟
2）使能被重新映射的外设时钟
3）使能AFIO功能的时钟（勿忘）
4）进行重映射

注意第3步，使能AFIO功能时钟，为什么需要使能这个时钟 & 什么时候需要使能这个时钟，可以参见下面这个回答

那么，问题来了！AFIO 是什么？AFIO 时钟什么时候需要开启？　　
　　我们从《STM32中文参考手册_V10》中找到：对寄存器 AFIO_EVCR、AFIO_MAPR 和 AFIO_EXTICRX 进行读写操作前，应当首先打开 AFIO 的时钟（设置 APB2 外设时钟使能寄存器 RCC_APB2ENR）。
　　也就是说：当你需要配置 AFIO 这些寄存器的时候，就需要把 RCC_APB2ENR 寄存器的 AFIO 位置‘1’打开 AFIO 时钟。　　
　　跟 AFIO 相关的寄存器有：
　　 1、事件控制寄存器（AFIO_EVCR）
　　 2、复用重映射和调试I/O 配置寄存器（AFIO_MAPR）
　　 3、外部中断配置寄存器1（AFIO_EXTICR1）
　　 4、外部中断配置寄存器2（AFIO_EXTICR2）
　　 5、外部中断配置寄存器3（AFIO_EXTICR3）
　　 6、外部中断配置寄存器4（AFIO_EXTICR4）
　　看看这些寄存器的定义，我们就明白，这些寄存器是用于“事件控制”、“重映射”、“调试IO配置”、“外部中断”的。例如 AFIO_EXTICRX 用于选择 EXTIx 外部中断的输入源。
　　总结：当我们需要配置这些 AFIO 寄存器的时候，就需要打开 RCC_APB2ENR 寄存器的 AFIO 时钟，而不是用到引脚复用功能的时候打开。

9.2 部分重映射 & 完全重映射

部分重映射：功能外设的部分引脚重新映射，还有一部分引脚是原来的默认引脚。
完全重映射：功能外设的所有引脚都重新映射。

         引脚重映射配置过程（串口3为例）：
                1）使能GPIO时钟（重映射后的IO);
                2）使能功能外设时钟（例如串口3);
                3）使能AFIO时钟。重映射必须使能AFIO时钟：
                4）开启重映射。

  GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_USART3, ENABLE);
  //根据第一个参数，来确定是部分重映射还是全部重映射

以串口3为例，如果想部分映射：GPIO_PinRemapConfig()的第一个参数取值应该是： GPIO_PartialRemap_USART3，如果是完全映射就是：GPIO_FullRemap_USART3

张士玉小黑屋

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STM32-GPIO篇_一直在路上的Tom的博客

19 人参与 2021年12月01日 08:03 分类 : 《随便一记》评论

1 GPIO简介

2 GPIO设置模式

2.1 输入配置

2.2 输出配置

2.3 复用功能配置

2.4 模拟输入配置

3 外设 I/O配置模式选择

4 F1寄存器配置

5 F4寄存器配置

6 GPIO的初始化(F1)

6.1 定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

6.2 开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

6.3 选择要控制的 GPIO 引脚

6.4 设置所选引脚的模式

6.5 设定所选管脚的速度

6.6 初始化GPIO

7 GPIO的初始化(F4)

7.1 定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

7.2 开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

7.3 选择要控制的 GPIO 引脚

7.4 设置所选引脚的模式

7.5 设定所选引脚的输出类型

7.6 设定所选管脚的速度

7.7 设定所选管脚的上拉与下拉

7.8 初始化GPIO

8 stm32 GPIO速率

8.1 GPIO 引脚速度

8.2 GPIO的翻转速度

8.3 GPIO的输出速度

9 stm32端口重映射

9.1 AFIO重映射的操作步骤

9.2 部分重映射 & 完全重映射

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5 F4寄存器配置

6 GPIO的初始化(F1)

6.1 定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

6.2 开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

6.3 选择要控制的 GPIO 引脚

6.4 设置所选引脚的模式

6.5 设定所选管脚的速度

6.6 初始化GPIO

7 GPIO的初始化(F4)

7.1 定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体

7.2 开启 LED 相关的 GPIO 外设时钟

7.3 选择要控制的 GPIO 引脚

7.4 设置所选引脚的模式

7.5 设定所选引脚的输出类型

7.6 设定所选管脚的速度

7.7 设定所选管脚的上拉与下拉

7.8 初始化GPIO

8 stm32 GPIO速率

8.1 GPIO 引脚速度

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