怎样通过寄存器的输出来控制GPIO从而点亮LED呢

GPIOB->ODR &= ~(1<<0); //GPIOB->ODR在计算机内部会被转化为(*GPIOB).ODR
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。将STM32芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，即可实现与外部通信、控制以及数据采集的功能。
STM32芯片的GPIO被分成了很多组，每组有16个引脚，如型号为
STM32F103VET6的芯片有GPIOA至GPIOE共5组GPIO。
芯片一共100个引脚，其中GPIO就占了一大部分，所有的GPIO引脚都有基本的输入输出功能。
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，就可以控制LED灯的亮灭；引脚接入继电器或三极管，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输入电平，如把GPIO引脚连接到按键，然后通过电平高低区分按键是否被按下。
2 GPIO框图剖析
通过GPIO硬件结构框图，就可以从整体上深入了解GPIO外设及它的各种应用模式，见图1-1。从最右端看起，最右端就是代表STM32芯片引出的GPIO引脚，其余部件都位于芯片内部。





图1-1 GPIO结构框图
3 基本结构分析
下面我们按图1-1中的编号对GPIO端口的结构部件进行说明。
1．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VDD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。尽管有这样的保护，并不意味着STM32的引脚能直接外接大功率驱动器件，如直接驱动电机，要么电机不转，要么导致芯片烧坏，必须要加大功率及隔离电路驱动。
2．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管导通，P-MOS关闭，对外输出低电平。当引脚高低电平切换时，两个MOS管轮流导通，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有很大的提高。推挽输出的低电平为0V，高电平为3.3V，推挽输出模式时的等效电路见图1-2。




图1-2 推挽等效电路
而在开漏输出模式时，上方的P-MOS管完全不工作。如果我们控制输出为0，低电平，则P-MOS管关闭，N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1（它无法直接输出高电平）时，则P-MOS管和N-MOS管都关闭，所以引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。正常使用时必须外部接上拉电阻，等效电路见图1-3。
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，此高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，0V。




图1-3 开漏电路
推挽输出模式一般应用在输出电平为0和3.3V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，一般习惯使用推挽输出模式。
开漏输出一般应用在I2C、SMBUS通信等需要“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5V的高电平，就可以在外部接一个上拉电阻，上拉电源为5V，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5V的电平，具体见图1-4。




图1-4 STM32 IO对外输出5V电平
3．输出数据寄存器
前面提到的双MOS管结构电路的输入信号，是由GPIO“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。而“置位/复位寄存器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。
4．复用功能输出
“复用功能输出”中的“复用”是指STM32的其他片上外设对GPIO引脚进行控制，此时GPIO引脚用作该外设功能的一部分，算是第二用途。从其他外设引出来的“复用功能输出信号”与GPIO本身的数据寄存器都连接到双MOS管结构的输入中，将图7-1中的梯形结构作为开关切换选择。
例如我们使用USART串口通信时，需要用到某个GPIO引脚作为通信发送引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，由串口外设控制该引脚，发送数据。
代码清单1-1 控制IO口全输出0x FF
     1 // GPIOB 16个IO全输出 0XFF    2 GPIOB->ODR = 0XFF; 5．输入数据寄存器
看GPIO结构框图（见图7-1）的上半部分，GPIO引脚经过内部的上、下拉电阻，可以配置成上/下拉输入，然后再连接到肖特基触发器，信号经过触发器后，模拟信号转化为0、1的数字信号，然后存储在“输入数据寄存器GPIOx_IDR”中，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。
代码清单1-2 读取端口的数据值
1 // 读取GPIOB端口的16位数据值
2 uint16_t temp;
3 temp = GPIOB->IDR;
6．复用功能输入
与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO引脚的信号传输到STM32其他片上外设，由该外设读取引脚状态。
同样，如我们使用USART串口通信时，需要用到某个GPIO引脚作为通信接收引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通信引脚的接收远端数据。
7．模拟输入输出
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，此时信号是不经过肖特基触发器的，因为经过肖特基触发器后信号只有0、1两种状态，所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在肖特基触发器之前。类似地，当GPIO引脚用于DAC作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC的
1 // 读取GPIOB端口的16位数据值
2 uint16_t temp;
3 temp = GPIOB->IDR;
6．复用功能输入
与“复用功能输出”模式类似，在“复用功能输入模式”时，GPIO引脚的信号传输到STM32其他片上外设，由该外设读取引脚状态。
同样，如我们使用USART串口通信时，需要用到某个GPIO引脚作为通信接收引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通信引脚的接收远端数据。
7．模拟输入输出
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，此时信号是不经过肖特基触发器的，因为经过肖特基触发器后信号只有0、1两种状态，所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在肖特基触发器之前。类似地，当GPIO引脚用于DAC作为模拟电压输出通道时，此时作为“模拟输出”功能，DAC的模拟信号输出就不经过双MOS管结构，而是直接输出到引脚。
3 GPIO工作模式
总结一下，由GPIO的结构决定了GPIO可以配置成以下模式，见代码清单1-3。
代码清单1-3 GPIO8种工作模式

    1 typedef enum
    2 {
    3     GPIO_Mode_AIN = 0x0,             // 模拟输入
    4     GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,    // 浮空输入
    5     GPIO_Mode_IPD = 0x28,            // 下拉输入
    6     GPIO_Mode_IPU = 0x48,            // 上拉输入
    7     GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,         // 开漏输出
    8     GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,         // 推挽输出
    9     GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,          // 复用开漏输出
   10     GPIO_Mode_AF_PP = 0x18           // 复用推挽输出
   11 } GPIOMode_Type Def;
GPIOMode_Type Def; 在固件库中，GPIO总共有8种细分的工作模式，稍加整理可以大致归类为以下3类。
1．输入模式（模拟/浮空/上拉/下拉）
在输入模式时，肖特基触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O状态。其中输入模式可设置为上拉、下拉、浮空和模拟4种。上拉和下拉输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，完全由外部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于ADC采集。
2．输出模式（推挽/开漏）
在输出模式中，推挽模式时双MOS管轮流工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR可控制I/O输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS管工作，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、10MHz、50MHz几种选项。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。在输出模式时肖特基触发器是打开的，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。
3．复用功能（推挽/开漏）
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他外设，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。
通过对GPIO寄存器写入不同的参数，就可以改变GPIO的工作模式。再强调一下，要了解具体寄存器，一定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。在GPIO外设中，控制端口高低控制寄存器CRH和CRL可以配置每个GPIO的工作模式和工作的速度，每4位控制一个IO，CRL控制端口的低8位（见图1-5），CRH控制端口的高8位（见图1-6），具体要看CRL和CRH的寄存器描述。




图1-5 GPIO端口配置低寄存器




图1-6 GPIO端口配置高寄存器
4 实验：使用寄存器点亮LED
本小节中，我们以实例讲解如何通过控制寄存器来点亮LED。此处侧重于讲解原理，请直接用KEIL5软件打开我们提供的实验例程配合阅读，先了解原理。学习完本小节后，再尝试自己建立一个同样的工程。本节配套例程名称为“GPIO输出——使用寄存器点亮LED”，在工程目录下找到后缀为“.uvprojx”的文件，用KEIL5打开即可。
自己尝试新建工程时，请对照查阅第6章。若没有安装KEIL5软件，请参考第1章。
打开该工程，见图1-7，可看到一共有3个文件，分别为startup_stm32f10x_hd.s、stm32f10x.h以及main.c。下面我们对这3个文件进行讲解。




图1-7 工程文件结构

4.1 硬件连接
在本书中STM32芯片与LED的连接见图7-8。这是一个RGB灯，由红蓝绿3个小灯构成，使用PWM控制时可以混合成256种不同的颜色。




图1-8 LED电路连接图
图1-8中从3个LED的阳极引出连接到3.3V电源，阴极各经过1个限流电阻引入至STM32的3个GPIO引脚，所以我们只要控制这3个引脚输出高低电平，即可控制其所连接的LED的亮灭。如果您的实验板STM32连接到LED的引脚或极性不一样，只需要修改程序到对应的GPIO引脚即可，工作原理都是一样的。
我们的目标是把GPIO的引脚设置成推挽输出模式，并且默认下拉，输出低电平，这样就能让LED亮起来了。
4.2 启动文件
启动文件在这里只是简要地介绍，关于这个文件的详解请参考第14章。
名为startup_stm32f10x_hd.s的文件中用汇编语言写好了基本程序，当STM32芯片上电启动的时候，首先会执行这里的汇编程序，从而建立起C语言的运行环境，所以我们把这个文件称为启动文件。该文件使用的汇编指令是Cortex-M3内核支持的指令，可参考《Cortex-M3权威指南》中指令集内容。
startup_stm32f10x_hd.s文件由官方提供，一般需要修改也是在官方的基础上修改，不会自己完全重写。该文件可以从ST固件库里面找到，找到该文件后把启动文件添加到工程中即可。不同型号的芯片以及不同编译环境下使用的汇编文件是不一样的，但功能相同。
对于启动文件这部分我们主要总结它的功能，不详细讲解里面的代码。其功能如下：
·初始化堆栈指针SP。
·初始化程序计数器指针PC。
·设置堆、栈的大小。
·初始化中断向量表。
·配置外部SRAM作为数据存储器（这个由用户配置，一般的开发板没有外部SRAM）。
·调用System Ini() 函数配置STM32的系统时钟。
·设置C库的分支入口“__main”（最终用来调用main函数）。
先去除繁枝细节，挑重点的讲，主要理解最后两点。在启动文件中有一段复位后立即执行的程序，见代码清单7-4。在实际工程中阅读时，可使用编辑器的搜索（〈Ctrl+F〉）功能查找这段代码在文件中的位置，搜索关键字Reset_Handler即可找到。
代码清单1-4 复位后执行的程序

      1 ;Reset handler
      2 Reset_Handler    PROC
      3                    EXPORT  Reset_Handler      [WEAK]
      4                    IMPORT  System Init
      5                    IMPORT  __main
      6
      7                    LDR     R0, =System Init
      8                    BLX     R0
      9                    LDR     R0, =__main
     10                    BX       R0
     11                    ENDP
                    ENDP 第1行是程序注释，在汇编里面注释用的是“;”，相当于C语言的“//”注释符。
第2行定义了一个子程序：Reset_Handler。PROC是子程序定义伪指令。这里就相当于C语言里定义了一个函数，函数名为Reset_Handler。
第3行EXPORT表示Reset_Handler这个子程序可供其他模块调用。相当于C语言的函数声明。关键字[WEAK] 表示弱定义，如果编译器发现在别处定义了同名的函数，则在链接时用别处的地址进行链接，如果其他地方没有定义，编译器也不报错，以此处地址进行链接。
第4行和第5行的IMPORT说明System Init和__main这两个标号在其他文件中，在链接的时候需要到其他文件中去寻找。相当于C语言中，从其他文件引入函数声明。以便下面对外部函数进行调用。
System Init需要由我们自己实现，即要编写一个具有该名称的函数，
用来初始化STM32芯片的时钟，一般包括初始化AHB、APB等各总线的时钟，需要经过一系列的配置才能使STM32达到稳定运行的状态。其实这个函数在固件库里面有，官方已经为用户写好。
__main其实不是我们定义的（不要与C语言中的main函数混淆），这是一个C库函数，当编译器编译时，只要遇到这个标号就会定义这个函数。该函数的主要功能是：初始化栈、堆，配置系统环境，并在函数的最后调用用户编写的main函数，从此进入C的环境。
第7行把System Init的地址加载到寄存器R0。
第8行程序跳转到R0中的地址执行程序，即执行System Init函数的内容。
第9行把__main的地址加载到寄存器R0。
第10行程序跳转到R0中的地址执行程序，即执行__main函数，执行完毕就进入我们熟知的C世界，运行main函数。
第11行表示子程序的结束。
总之，看完这段代码后，了解到如下内容即可：我们需要在外部定义一个System Init函数设置STM32的时钟；STM32上电后，会执行System Init函数，最后执行C语言中的main函数。
4.3 stm32f10x.h文件
看完启动文件，该写System Init和main函数了吧？别着急，定义好了System Init函数和main我们又能写什么内容？连接LED的GPIO引脚，是要通过读写寄存器来控制的，就这样空着手，如何控制寄存器呢？我们知道，**寄存器就是给一个已经分配好地址的特殊的内存空间取的一个别名，这个特殊的内存空间可以通过指针来操作。**在编程之前我们要先实现寄存器映射，有关寄存器映射的代码都统一写在stm32f10x.h文件中，见代码清单1-5。
代码清单1-5 外设地址定义

   1 /＊片上外设基地址    ＊/
   2 #define PERIPH_BASE          ((unsigned int)0x40000000)
   3
   4 /＊总线基地址，GPIO都挂载到APB2上 ＊/
   5 #define APB2PERIPH_BASE      (PERIPH_BASE + 0x10000)
   6
   7 /＊ GPIOB外设基地址＊/
   8 #define GPIOB_BASE           (APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)
   9
  10 /＊ GPIOB寄存器地址，强制转换成指针 ＊/
  11 #define GPIOB_CRL            ＊(unsigned int＊)(GPIOB_BASE+0x00)
  12 #define GPIOB_CRH            ＊(unsigned int＊)(GPIOB_BASE+0x04)
  13 #define GPIOB_IDR            ＊(unsigned int＊)(GPIOB_BASE+0x08)
  14 #define GPIOB_ODR            ＊(unsigned int＊)(GPIOB_BASE+0x0C)
  15 #define GPIOB_BSRR           ＊(unsigned int＊)(GPIOB_BASE+0x10)
  16 #define GPIOB_BRR            ＊(unsigned int＊)(GPIOB_BASE+0x14)
  17 #define GPIOB_LCKR           ＊(unsigned int＊)(GPIOB_BASE+0x18)
  18
  19 /＊ RCC外设基地址 ＊/
  20 #define RCC_BASE              (AHBPERIPH_BASE + 0x1000)
  21 /＊ RCC的AHB1时钟使能寄存器地址，强制转换成指针 ＊/
  22 #define RCC_APB2ENR          ＊(unsigned int＊)(RCC_BASE+0x18)
GPIO外设的地址跟前面章节讲解的相同，不过此处把寄存器的地址值都直接强制转换成了指针，方便使用。代码的最后两段是RCC外部寄存器的地址定义，RCC外设是用来设置时钟的，以后我们会详细分析，本实验中只要了解到使用GPIO外设必须开启它的时钟即可。
4.4 main文件
现在可以开始编写程序，在main文件中先编写一个main函数，里面什么都没有，暂时为空。
1 int main (void)  
2 {   
3 }
此时直接编译的话，会出现如下错误：
     Error： L6218E： Undefined symbol System Init (referred from startup_stm32f10x.o)
错误提示System Init没有定义。从分析启动文件时我们知道，Reset_Handler调用了该函数用来初始化SMT32系统时钟，为了简单起见，我们在main文件里面定义一个System Init空函数，什么也不做，为的是骗过编译器，把这个错误去掉。关于配置系统时钟我们在后面再写。当我们不配置系统时钟时，STM32会把HSI当作系统时钟，HSI=8M，由芯片内部的振荡器提供。我们在main中添加如下函数：

    1 // 函数为空，目的是为了骗过编译器不报错
    2 void System Init(void)
    3 {
    4 }
这时再编译就没有错了，完美解决。还有一个方法就是在启动文件中把有关System Init的代码注释掉也可以，见代码清单1-6。
代码清单1-6 注释掉启动文件中调用System Init的代码

    1 ; Reset handler
    2 Reset_Handler    PROC
    3     EXPORT  Reset_Handler    [WEAK]
    4     ;IMPORT  System Init
    5     IMPORT  __main
    6
    7     ;LDR     R0, =System Init
    8     ;BLX     R0
    9     LDR     R0, =__main
   10     BX       R0
   11     ENDP
接下来在main函数中添加代码，实现我们的点亮LED功能。
1．GPIO模式
首先我们把连接到LED的GPIO引脚PB0配置成输出模式，即配置GPIO的端口配置低寄存器CRL，见图1-9。CRL中包含0～7号引脚，每个引脚占用4个寄存器位。MODE位用来配置输出的速度，CNF位用来配置各种输入输出模式。在这里我们把PB0配置为通用推挽输出，输出的速度为10M，具体见代码清单1-7。




图1-9 GPIO端口控制低寄存器CRL
代码清单1-7 配置输出模式
1 // 清空控制PB0的端口位
2 GPIOB_CRL &= ～( 0x0F<< (4＊0));
3 // 配置PB0为通用推挽输出，速度为10M
4 GPIOB_CRL |= (1<<4＊0);
在代码中，我们先把控制PB0的端口位清0，然后向它赋值“0001 b”，从而将GPIOB0引脚设置成输出模式，速度为10M。
代码中使用了“&=～”“|=”这种操作方法，这是为了避免影响寄存器中的其他位，因为寄存器不能按位读写，假如我们直接给CRL寄存器赋值：
     1 GPIOB_CRL = 0x0000001; 这时CRL的低4位被设置成“0001”输出模式，但其他GPIO引脚就有问题了，因为其他引脚的MODER位都已被设置成输入模式。
2．控制引脚输出电平
在输出模式时，对端口位设置/清除寄存器BSRR寄存器、端口位清除寄存器BRR和ODR寄存器写入参数即可控制引脚的电平状态，其中操作BSRR和BRR最终影响的都是ODR寄存器，然后通过ODR寄存器的输出来控制GPIO，见图7-10。为了一步到位，我们在这里直接操作ODR寄存器来控制GPIO的电平，具体见代码清单7-8。




图1-10 GPIO数据输出寄存器ODR
代码清单1-8 控制引脚输出电平
1 // PB0输出低电平   
  2 GPIOB_ODR |= (0<<0);
3．开启外设时钟
设置完GPIO的引脚，控制了电平输出，现在总算可以点亮LED了吧？其实还差最后一步。由于STM32的外设很多，为了降低功耗，每个外设都对应一个时钟。在芯片刚上电的时候这些时钟都是关闭的，如果想要外设工作，必须把相应的时钟打开。
STM32的所有外设的时钟由一个专门的外设来管理，叫RCC（reset and clockcontrol）, RCC在《STM32中文参考手册》的第6章中介绍。关于RCC外设中的时钟部分，在第15章中有详细的讲解，见图1-11。这里我们先了解下。





图1-11 APB2外设时钟使能寄存器
所有的GPIO都挂载到APB2总线上，具体的时钟由APB2外设时钟使能寄存器（RCC_ APB2ENR）来控制，见图1-11。具体见代码清单1-9。
代码清单1-9 开启端口时钟

      1 // 开启GPIOB端口时钟
      2 RCC_APB2ENR |= (1<<3);


4．水到渠成
开启时钟，配置引脚模式，控制电平，经过这3步，我们总算可以控制一个LED了。现在我们完整地组织一下用STM32控制一个LED的代码，见代码清单1-10。
代码清单1-10 main文件中控制LED的代码

   1 int main(void)
   2 {
   3     //开启GPIOB端口时钟
4 RCC_APB2ENR |= (1<<3);
5
6 //清空控制PB0的端口位
7 GPIOB_CRL &= ～( 0x0F<< (4＊0));
8 //配置PB0为通用推挽输出，速度为10M
9 GPIOB_CRL |= (1<<4＊0);
10
11 // PB0输出低电平
12 GPIOB_ODR |= (0<<0);
13
14 while (1);
15
16 }
在本章中，要求完全理解stm32f10x.h文件及main文件的内容（RCC相关的除外）。
4.5 下载验证
把编译好的程序下载到开发板并复位，可看到板子上的LED被点亮。