GPIO端口的初始化设置过程是怎样的？

一、STM32F103的映射介绍

STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3 [1] 。
该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。
芯片集成定时器Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种外设功能。

• 这里主要介绍两种映射，一种是地址映射，另一种是寄存器映射
  
  

1.地址映射介绍

为了保证CPU执行指令时可正确访问存储单元，需将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址，这一过程称为地址映射。

• 芯片外接外部RAM和外部ROM的时候，RAM和ROM器件都是独立器件，都只有自己的绝对地址，且从0x00开始。而对于CPU来说，0x00地址只能有1个，所以外接器件挂到CPU上时只能做地址映射，如RAM的地址为0x3000 0000, ROM地址为0x4000 0000, 这样CPU就做了统一编址。也就是说这些地址要统一分配使用，总共就只有4G，所以说内存（RAM）、端口（寄存器）和存储器（RAM）都被映射到改4G空间里面。
  
  
• 总线：总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分如下几种类型：
  
  

[tr]总线类型作用[/tr]

数据总线	在CPU和RAM之间来回传送需要处理或者是需要储存的数据
地址总线	指定在RAM之中储存的数据的地址
控制总线	将微处理器控制单元的信号传送到周边设备
扩展总线	可连接槽和电脑
局部总线	取代更高速数据传输的扩展总线

• 地址映射图解：
  
  

2.寄存器映射的介绍

• 存储器本身不具有地址信息，它的地址是由芯片厂商或用户分配，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射。
  
• 存储器映射→寄存器映射
  
• 在存储器Block2 这块区域，设计的是片上外设，它们以四个字节为一个单元，共32bit，每一个单元对应不同的功能，当我们控制这些单元时就可以驱动外设工作。我们可以找到每个单元的起始地址，然后通过C 语言指针的操作方式来访问这些单元，如果每次都是通过这种地址的方式来访问，不仅不好记忆还容易出错，这时我们可以根据每个单元功能的不同，以功能为名给这个内存单元取一个别名，这个别名就是我们经常说的寄存器，这个给已经分配好地址的有特定功能的内存单元取别名的过程就叫寄存器映射。
  
  

• 补充：如果给存储器再分配一个地址就叫存储器重映射。
  
  

• GPIO 有很多个寄存器，每一个都有特定的功能。每个寄存器为 32bit，占四个字节，在该外设的基地址上按照顺序排列，寄存器的位置都以相对该外设基地址的偏移地址来描述。我们以 GPIOB 端口为例，以此来说明 GPIO 的寄存器有哪些，如下表：
  
  

[tr]寄存器名称寄存器地址[/tr]

GPIOB_CRL	0x4001 0C00
GPIOB_CRH	0x4001 0C04
GPIOB_IDR	0x4001 0C08
GPIOB_ODR	0x4001 0C0C
GPIOH_BSRR	0x4001 0C10
GPIOH_BRR	0x4001 0C14
GPIOH_LCKR	0x4001 0C18

二、GPIO端口的初始化设置


1.GIPO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，如型号为 STM32F103VET6型号的芯片有GPIOA、GPIOB、GPIOC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。

• GPIO剖析图：
  
• GPIO的工作模式
  
  

[tr]分类工作模式[/tr]

输入类	模拟/浮空/上拉/下拉
输出类	推挽/开漏
复用类	推挽/开漏

2.时钟配置


对于STM32，有五个时钟源，如下表：

[tr]简称时钟源名称频率范围[/tr]

HSI	高速内部时钟	8MHz
HSE	高速外部时钟	4MHz~16MHz
LSI	低速内部时钟	40kHz
LSE	低速外部时钟	32.768kHz
PLL	锁相环倍频输出	输出频率最大不得超过72MHz

程序刚启动的时候，stm32采用的为内部高速时钟。如果需要采用外部时钟，需要按照如下的方式配置：

1、时钟初始化，即将时钟的寄存器采用默认值。

2、开始外部时钟且外部时钟起震准备就绪。

3、设置PLLXTPRE（只能在关闭PLL时才能写入此位），可选择分频不分频。

4、设置进入PLL的源时钟（只能在关闭PLL时才能写入此位）。因为采用外部时钟所以只有一种设置。

5、设置PLL倍频系数PLLMUL（只有在PLL关闭的情况下才可被写入）。

6、开启PLL，且准备就绪。

7、设置SW，选择时钟源为系统时钟。

8、判断是否是预选的时钟为系统时钟。

3.输入输出模式设置

在GPIO简介处罗列了输入输出的八种模式，现在对这八种模式进行详细的介绍

• 首先是四种输入类，它们分别是：上拉输入、下拉输入、浮空输入、模拟输入
  
  

[tr]输入模式名称作用原理[/tr]

上拉输入模式	在默认状态下(GPIO引脚无输入)，读取得的GPIO引脚数据为1，高电平	与VDD相连的为上拉电阻。再连接到施密特触发器就把电压信号转化为1的数字信号存储在输入数据寄存器(IDR)
下拉输入模式	在默认状态下(GPIO引脚无输入)，读取得的GPIO引脚数据为0，低电平	与VSS相连的为下拉电阻。再连接到施密特触发器就把电压信号转化为0的数字信号存储在输入数据寄存器(IDR)
浮空输入模式	配置成这个模式直接用电压表测量其引脚电压为1点几伏，这是个不确定值	没有接上拉，也没有接下拉电阻，经由触发器输入
模拟输入模式	把电压信号传送到片上外设模块，如传送至给ADC模块，由ADC采集电压信号	关闭了施密特触发器，不接上、下拉电阻

• 然后是四种输出类，它们分别是：普通推挽输出、普通开漏输出、复用推挽输出、复用开漏输出
  
  

[tr]输出模式名称作用原理[/tr]

普通推挽输出	推挽输出的供电平为0伏，高电平为3.3伏	在输出高电平时，P-MOS导通，低电平时，N-MOS管导通。两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流，使其负载能力和开关速度都比普通的方式有很大的提高
普通开漏输出	控制输出为0，低电平；若控制输出为1，为高阻态	如果我们控制输出为0，低电平，则使N-MOS管导通，使输出接地，若控制输出为1 (无法直接输出高电平)，则既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻态。
复用推挽输出	GPIO的引脚用作串口的输出
复用开漏输出	用在IC、SMBUS这些需要线与功能的复用场合

注：在使用任何一种开漏模式，都需要接上拉电阻。

4.最大速率设置

GPIO的输出速率：GPIO电平每秒切换的最大次数

• GPIO不同速率设置对实际的开发会造成影响，如：LED闪烁快慢不一致、产生Audio噪声、使SPI通信异常。所以对GPIO速率的设置是相当重要的
  
• 当STM32的GPIO端口设置为输出模式时，有三种速度可以选择：2MHz、10MHz和50MHz，这个速度是指I/O口驱动电路的速度，是用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。
  
  

三、实例——流水灯


1.实例目标


以 STM32最小系统核心板(STM32F103C8T6)+面包板+3只红绿蓝LED 搭建电路，使用GPIOA、GPIOB、GPIOC这3个端口控制LED灯，轮流闪烁，间隔时长1秒

2.面包板

面包板是由于板子上有很多小插孔，专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。

3.设计思路

• 首先要控制三个LED灯输出，则需要设置三个GPIO端口分别为LED灯提供输出（本实例中，我采取A7、B9、C15三个GPIO端口）
  
• 流水灯要轮流输出，则需要定时改变三个GPIO口的输出电平状态（本实例中，我采取GPIO端口输出低电平时，LED灯亮，并且三个端口同时输出状态下只有一个端口的输出状态为低电平）
  
• 通过调节时钟设置，使得低电平输出时间为1s
  
  

4.代码


汇编代码：

LED0 EQU 0x42218194
RCC_APB2ENR EQU 0x40021018
GPIOA_CRH EQU 0x40010804
GPIOB_CRL EQU 0x40010C00

Stack_Size      EQU     0x00000400

                AREA    STACK, NOINIT, READWRITE, ALIGN=3
Stack_Mem       SPACE   Stack_Size
__initial_sp

                AREA    RESET, DATA, READONLY

__Vectors       DCD     __initial_sp               
                DCD     Reset_Handler              
                    
                    
                AREA    |.text|, CODE, READONLY
                    
                THUMB
                REQUIRE8
                PRESERVE8
                    
                ENTRY
Reset_Handler
                BL LED_Init
MainLoop        BL LED_ON
                BL Delay
                BL LED_OFF
                BL Delay
               
                B MainLoop
            
LED_Init
                PUSH {R0,R1, LR}
               
                LDR R0,=RCC_APB2ENR
                ORR R0,R0,#0x08               
                LDR R1,=RCC_APB2ENR
                STR R0,[R1]
               
                LDR R0,=GPIOB_CRL
                BIC R0,R0,#0XFF0FFFFF      
                LDR R1,=GPIOB_CRL
                STR R0,[R1]
               
                LDR R0,=GPIOB_CRL
                ORR R0,R0,#0X00300000
                LDR R1,=GPIOB_CRL
                STR R0,[R1]
               
                MOV R0,#1
                LDR R1,=LED0
                STR R0,[R1]
            
                POP {R0,R1,PC}

            
LED_ON
                PUSH {R0,R1, LR}   
               
                MOV R0,#0
                LDR R1,=LED0
                STR R0,[R1]
            
                POP {R0,R1,PC}
            
LED_OFF
                PUSH {R0,R1, LR}   
               
                MOV R0,#1
                LDR R1,=LED0
                STR R0,[R1]
            
                POP {R0,R1,PC}            
            
Delay
                PUSH {R0,R1, LR}
               
                MOVS R0,#0
                MOVS R1,#0
                MOVS R2,#0
               
DelayLoop0        
                ADDS R0,R0,#1

                CMP R0,#330
                BCC DelayLoop0
               
                MOVS R0,#0
                ADDS R1,R1,#1
                CMP R1,#330
                BCC DelayLoop0

                MOVS R0,#0
                MOVS R1,#0
                ADDS R2,R2,#1
                CMP R2,#15
                BCC DelayLoop0
               
                POP {R0,R1,PC}   

                END

C语言代码：

//--------------APB2使能时钟寄存器------------------------
#define RCC_AP2ENR        *((unsigned volatile int*)0x40021018)
//----------------GPIOB配置寄存器----------------------
#define GPIOA_CRL        *((unsigned volatile int*)0x40010800)
#define        GPIOA_ORD        *((unsigned volatile int*)0x4001080C)
//----------------GPIOC配置寄存器------------------------
#define GPIOB_CRH        *((unsigned volatile int*)0x40010C04)
#define        GPIOB_ORD        *((unsigned volatile int*)0x40010C0C)
//----------------GPIOD配置寄存器------------------------
#define GPIOC_CRH        *((unsigned volatile int*)0x40011004)
#define        GPIOC_ORD        *((unsigned volatile int*)0x4001100C)
//-------------------延时函数-----------------------
void  Delay_ms( volatile  unsigned  int  t)
{
     unsigned  int  i;
     while(t--)
         for (i=0;i<10000;i++);
}
void A_LED_LIGHT(){
        GPIOA_ORD=0x0<<7;               
        GPIOB_ORD=0x1<<9;               
        GPIOC_ORD=0x1<<15;      
}
void B_LED_LIGHT(){
        GPIOA_ORD=0x1<<7;               
        GPIOB_ORD=0x0<<9;               
        GPIOC_ORD=0x1<<15;               
}
void C_LED_LIGHT(){
        GPIOA_ORD=0x1<<7;               
        GPIOB_ORD=0x1<<9;               
        GPIOC_ORD=0x0<<15;               
}

int main()
{
        int j=100;
        RCC_AP2ENR|=1<<2;                       
        RCC_AP2ENR|=1<<3;                              
        RCC_AP2ENR|=1<<4;                       

        GPIOA_CRL&=0x0FFFFFFF;               
        GPIOA_CRL|=0x20000000;               
        GPIOA_ORD|=1<<7;                       
      
        GPIOB_CRH&=0xFFFFFF0F;               
        GPIOB_CRH|=0x00000020;               
        GPIOB_ORD|=1<<9;                       
      
        GPIOC_CRH&=0x0FFFFFFF;               
        GPIOC_CRH|=0x30000000;         
        GPIOC_ORD|=0x1<<15;                       
        while(1)
        {      
                A_LED_LIGHT();      
                Delay_ms(1000);
                B_LED_LIGHT();
                Delay_ms(1000);
                C_LED_LIGHT();
                Delay_ms(1000);
        }
}

5.注意事项


（1）关于.hex文件的生成

• 点击魔法棒
  
  
• 点击Out/put，在Select Folder for Objects…中选择储存位置，勾选Create HEX File后，点击OK
  
  

（2）电路的连接

• STM32的RX和TX端分别和转接口的TX和RX端相连，即传输端和接收端相接
  
• 对应的三个GPIO口（PA7、PB9、PC15）分别接三个LED灯短引脚，3.3V端口接三个LED灯长引脚
  
  

（3）程序的烧录

• 先将STM32芯片的boot0接1，boot1接0
  
  
• 
  
  

6.实验结果


红、绿、黄灯依次闪烁，且时间间隔为1s


四、总结


本篇博客介绍了STM32F103单片机的地址映射和寄存器映射，介绍了GPIO初始化设置，阐述了时钟配置，八种输入输出配置以及最大速率配置，并通过实例——流水灯，将理论的学习运用到实践中，希望能够给各位读者帮助，同时也希望各位读者能够自己尝试去实验，只有通过实验才能够真正熟知和掌握知识。若博客中有不足或者缺漏，望各位指出。