GPIO(General-purpose input/output)是通用輸入輸出端口的簡稱，CKS32F4xx系列產(chǎn)品通過GPIO引腳與外部設(shè)備連接起來，從而實現(xiàn)與外部通訊、控制以及數(shù)據(jù)采集的功能。最基本的輸出功能是由CKS32F4xx系列產(chǎn)品控制引腳輸出高、低電平，實現(xiàn)開關(guān)控制，如把GPIO引腳接入到LED燈，那就可以控制LED燈的亮滅，引腳接入到繼電器或三極管，那就可以通過繼電器或三極管控制外部大功率電路的通斷。最基本的輸入功能是檢測外部輸入電平，如把 GPIO引腳連接到按鍵，通過電平高低區(qū)分按鍵是否被按下。

GPIO硬件結(jié)構(gòu)框圖

該圖從最右端看起，最右端標注著“I/O”的就是代表CKS32F4xx系列產(chǎn)品引出的GPIO引腳，其余部件都位于芯片內(nèi)部。引腳處的兩個保護二級管可以防止引腳外部過高或過低的電壓輸入，當引腳電壓高于VDD_FT時，上方的二極管導(dǎo)通，當引腳電壓低于VSS時，下方的二極管導(dǎo)通，由此可以防止不正常電壓引入芯片導(dǎo)致芯片的燒毀。這里要特別注意VDD_FT 代表IO口兼容3.3V和5V，如果沒有標注“FT”，就代表著不兼容5V。在芯片數(shù)據(jù)手冊的引腳定義中，會看到有“電平I/O”一列，有FT標注的即為支持5V,如下圖所示：

標號1處是上拉、下拉電阻，從它的結(jié)構(gòu)我們可以看出，通過上、下拉對應(yīng)的開關(guān)配置，我們可以控制引腳默認狀態(tài)下的電壓，開啟上拉的時候引腳電壓為高電平，開啟下拉的時候引腳電壓為低電平。同時也可以設(shè)置“既不上拉也不下拉模式”，我們也把這種狀態(tài)稱為浮空模式。

標號2處是一個由P-MOS和N-MOS管組成的單元電路。這個結(jié)構(gòu)使GPIO具有了“推挽輸出”和“開漏輸出”兩種模式。上方的P-MOS管高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)閉，下方的N-MOS低電平導(dǎo)通，高電平關(guān)閉。

標號3處是輸出數(shù)據(jù)寄存器，它為標號2處的雙MOS管結(jié)構(gòu)電路提供輸入控制信號，因此通過修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值就可以修改GPIO引腳的輸出電平。而圖中“置位/復(fù)位寄存器 GPIOx_BSRR”可以通過修改輸出數(shù)據(jù)寄存器的值從而影響電路的輸出。

標號4處是復(fù)用功能輸出，“復(fù)用”是指CKS32F4xx系列產(chǎn)品的其它片上外設(shè)可以對GPIO引腳進行控制，此時GPIO引腳用作該外設(shè)功能的一部分，算是第二用途。例如我們使用USART串口通訊時，需要用到某個GPIO引腳作為通訊發(fā)送引腳，這個時候就可以把該GPIO引腳配置成USART串口復(fù)用功能，由串口外設(shè)控制該引腳，發(fā)送數(shù)據(jù)。

標號5處是輸入數(shù)據(jù)寄存器，它連接到圖中的TTL施密特觸發(fā)器，觸發(fā)器的基本原理是當輸入電壓高于正向閾值電壓時，輸出為高；當輸入電壓低于負向閾值電壓時，輸出為低；IO口信號經(jīng)過觸發(fā)器后，模擬信號轉(zhuǎn)化為0和1的數(shù)字信號，也就是高低電平,并且是TTL電平協(xié)議, 然后存儲在“輸入數(shù)據(jù)寄存器。因此，通過讀取該寄存器就可以了解GPIO引腳的電平狀態(tài)。

標號6處是復(fù)用功能輸入，與“復(fù)用功能輸出”模式類似，同樣，如果我們使用USART串口通訊時，需要用到某個GPIO引腳作為通訊接收引腳，這個時候就可以把該GPIO引腳配置成USART串口復(fù)用功能，使USART可以通過該通訊引腳接收遠端數(shù)據(jù)。

標號7處是模擬輸入輸出，當 GPIO引腳用于ADC采集電壓的輸入通道時，用作“模擬輸入”功能，此時信號是不經(jīng)過施密特觸發(fā)器的，因為經(jīng)過施密特觸發(fā)器后信號只有0、1 兩種狀態(tài)，所以ADC外設(shè)要采集到原始的模擬信號，信號源輸入必須在施密特觸發(fā)器之前。同樣的，當 GPIO引腳用于DAC作為模擬電壓輸出通道時，此時作為“模擬輸出”功能，DAC 的模擬信號輸出就不經(jīng)過雙MOS管結(jié)構(gòu)了，在GPIO結(jié)構(gòu)框圖的右下角處，模擬信號直接輸出到引腳。

GPIO的工作模式

- 4種輸入模式 -

1.浮空輸入

浮空輸入狀態(tài)下，IO的電平狀態(tài)是不確定的，完全由外部輸入決定。如果在該引腳懸空的情況下，讀取該端口的電平是不確定的。

2.上拉輸入

在該模式下，如果IO口外部沒有信號輸入或者引腳懸空，IO口默認為高電平。如果I/O口輸入低電平，那么引腳就為低電平，MCU讀取到的就是低電平。

3.下拉輸入

在該模式下如果IO口外部沒有信號輸入或者引腳懸空，IO口默認為低電平，如果I/O口輸入高電平，那么引腳就為高電平，MCU讀取到的就是高電平。

4.模擬功能

當GPIO用于模擬功能時，引腳的上、下拉電阻是不起作用的，這個時候即使配置了上拉或下拉模式，也不會影響到模擬信號的輸入輸出。除了ADC和DAC要將IO配置為模擬功能模式之外，其他外設(shè)功能一律要配置為復(fù)用功能模式。

- 4種輸出模式 -

1.開漏輸出(帶上拉或者下拉)

在該模式下，若MCU控制輸出為高電平1時，輸出指令是不會起到作用的。此時I/O端口的電平就不會由輸出的高電平?jīng)Q定，而是由I/O端口外部的上拉或者下拉決定，如果沒有上拉或者下拉，IO口就處于高阻態(tài)。雖然通過軟件設(shè)置內(nèi)部上拉，也可以輸出高電平，但是CKS32F4xx系列產(chǎn)品內(nèi)部上拉是"弱上拉"，即通過此上拉輸出的電流是很弱的,驅(qū)動能力很弱。但是在該模式下，當MCU控制輸出為低電平0時，即使沒有上拉或者下拉，I/O端口也會輸出低電平。另一方面，在開漏模式下，施密特觸發(fā)器是打開的，即輸入可用，可以通過輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR讀取I/O的實際狀態(tài)。開漏輸出主要有以下兩點作用：

a. I/O端口設(shè)置成開漏輸出模式時，可以用來連接不同電平的器件，用來匹配電平，因為開漏引腳不連接外部的上拉電阻時，只能輸出低電平，如果需要同時具備輸出高電平的功能，則需要接上拉電阻。因此我們通過改變上拉電源的電壓，便可以改變傳輸電平。比如通過加上上拉電阻就可以提供TTL電平-CMOS電平的輸出。

b.當多個設(shè)置為開漏輸出的引腳連接到一條總線上時。通過外加一個上拉電阻，在不增加任何器件的情況下，這些引腳形成了“與邏輯”關(guān)系，即“線與”。如果有一個引腳輸出為邏輯0，相當于接地，那么與之并聯(lián)的回路“相當于被一根導(dǎo)線短路”，所以總線上的邏輯電平便為0。只有都為高電平時，總線上的電平才為1。在IIC通信中，引腳通常設(shè)置為開漏輸出模式。

2.復(fù)用開漏輸出(帶上拉或者下拉)

此時GPIO復(fù)用為其他外設(shè)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR無效；即輸出的高低電平來源于其它外設(shè)，除了輸出信號的來源改變之外，其他的與開漏輸出功能相同。

3.推挽輸出(帶上拉或者下拉)

在該模式下，如果我們控制輸出為0，低電平，則I/O端口的電平就是低電平。若控制輸出為1，高電平，則I/O端口的電平就是高電平。此時，外部上拉和下拉的作用是控制在沒有輸出IO口的默認電平。在該模式下，施密特觸發(fā)器也是打開的，即輸入可用，通過輸入數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_IDR可讀取I/O的實際狀態(tài)。

4.復(fù)用推挽輸出(帶上拉或者下拉)

此時GPIO復(fù)用為其他外設(shè)，輸出數(shù)據(jù)寄存器GPIOx_ODR無效；即輸出的高低電平來源于其它外設(shè)，除了輸出信號的來源改變之外，其他的與推挽輸出功能相同。

- 4種輸出速度 -

1. 2MHZ(低速)

2. 25MHZ(中速)

3. 50MHZ(快速)

4. 100MHZ(高速)

GPIO的引腳速度又稱輸出驅(qū)動電路的響應(yīng)速度，即一個驅(qū)動電路可以不失真地通過信號的最大頻率。比如信號頻率為10MHz，而我們把GPIO速度配置成了2MHz，則10MHz的方波很可能就變成了正弦波，發(fā)生了失真。芯片內(nèi)部在I/O口的輸出部分安排了多個響應(yīng)速度不同的輸出驅(qū)動電路，我們可以根據(jù)自己的需要選擇合適的驅(qū)動電路，通過選擇速度來選擇不同的輸出驅(qū)動模塊，達到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。因為GPIO口的速度配置越高，噪聲越大，功耗也越大。比如在USART串口通信中，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就夠了，既省電，噪聲也??；而在SPI接口中，若使用18M或9M的波特率，則需要選用50M的GPIO的引腳速度。

注意：CKS32F407用于配置PA13輸出速度的GPIOA_OSPEEDR寄存器的端口 13配置位(GPIOA_OSPEEDR_OSPEEDR13[1:0])初始值為00，即PA13的I/O輸出速度默認為低速。因此客戶在實際使用CKS32F407時，要按照參考手冊中的介紹來配置GPIOA_OSPEED寄存器中 OSPEEDR13[1:0]位，從而來選擇PA13的I/O輸出指定的速度。

GPIO的配置

接下來我們講解如何利用CKS32F4xx系列固件庫對GPIO口的工作模式進行配置。首先，固件庫中定義了一個如下的結(jié)構(gòu)體：

typedefstruct
{
uint32_tGPIO_Pin;
GPIOMode_TypeDefGPIO_Mode;
GPIOSpeed_TypeDefGPIO_Speed;
GPIOOType_TypeDefGPIO_OType;
GPIOPuPd_TypeDefGPIO_PuPd;
}GPIO_InitTypeDef;

通過對該結(jié)構(gòu)體成員中各個變量的初始化，就可以完成對2.2小節(jié)中所講的GPIO口的工作模式配置。結(jié)構(gòu)體中各個成員變量的介紹及初始化時可被賦的值如下：

1)GPIO_Pin:用來選擇要控制的GPIO引腳，在標準庫函數(shù)中可選擇的值及其定義如下：

#defineGPIO_Pin_0((uint16_t)0x0001)
#defineGPIO_Pin_1((uint16_t)0x0002)
#defineGPIO_Pin_2((uint16_t)0x0004)
#defineGPIO_Pin_3((uint16_t)0x0008)
#defineGPIO_Pin_4((uint16_t)0x0010)
#defineGPIO_Pin_5((uint16_t)0x0020)
#defineGPIO_Pin_6((uint16_t)0x0040)
#defineGPIO_Pin_7((uint16_t)0x0080)
#defineGPIO_Pin_8((uint16_t)0x0100)
#defineGPIO_Pin_9((uint16_t)0x0200)
#defineGPIO_Pin_10((uint16_t)0x0400)
#defineGPIO_Pin_11((uint16_t)0x0800)
#defineGPIO_Pin_12((uint16_t)0x1000)
#defineGPIO_Pin_13((uint16_t)0x2000)
#defineGPIO_Pin_14((uint16_t)0x4000)
#defineGPIO_Pin_15((uint16_t)0x8000)
#defineGPIO_Pin_All((uint16_t)0xFFFF)

2) GPIO_Mode:用來設(shè)置已經(jīng)選擇的GPIO引腳的模式，在標準庫函數(shù)中可選擇的值及其定義如下：

typedefenum
{
GPIO_Mode_IN=0x00,/*!設(shè)置為輸入模式*/
GPIO_Mode_OUT=0x01,/*!設(shè)置為輸出模式*/
GPIO_Mode_AF=0x02,/*!設(shè)置為復(fù)用模式*/
GPIO_Mode_AN=0x03/*!設(shè)置為模擬模式*/
}GPIOMode_TypeDef;

3) GPIO_Speed:用來設(shè)置已經(jīng)選擇的GPIO引腳的速度，在標準庫函數(shù)中可選擇的值及其定義如下：

#defineGPIO_Speed_2MHzGPIO_Low_Speed
#defineGPIO_Speed_25MHzGPIO_Medium_Speed
#defineGPIO_Speed_50MHzGPIO_Fast_Speed
#defineGPIO_Speed_100MHzGPIO_High_Speed

4) GPIO_OType:用來設(shè)置已經(jīng)選擇的GPIO引腳的輸出模式，只有輸出模式才需要該配置，輸入模式下不需要該配置。在標準庫函數(shù)中可選擇的值及其定義如下：

typedefenum
{
GPIO_OType_PP=0x00,/*!設(shè)置為推挽輸出模式*/
GPIO_OType_OD=0x01/*!設(shè)置為開漏輸出模式*/
}GPIOOType_TypeDef;

5) GPIO_PuPd:用來設(shè)置已經(jīng)選擇的GPIO引腳的上下拉，在標準庫函數(shù)中可選擇的值及其定義如下：

typedefenum
{
GPIO_PuPd_NOPULL=0x00,/*!設(shè)置為既不上拉也不下拉/浮空模式*/
GPIO_PuPd_UP=0x01,/*!設(shè)置為上拉模式*/
GPIO_PuPd_DOWN=0x02/*!設(shè)置為下拉模式*/
}GPIOPuPd_TypeDef;

根據(jù)上面所講解的配置方法，我們講解標準庫下的3個實際配置實例。

1)作為普通的GPIO口輸出，控制LED燈的亮滅，其GPIO口初始化函數(shù)如下：

voidLED_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF,ENABLE);//使能GPIOF時鐘
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2;//LED1對應(yīng)的IO口
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;//輸出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;//推挽模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_100MHz;//速度100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOF, GPIO_InitStructure);//初始化GPIO
}

2) 復(fù)用為CAN外設(shè)的輸出。

voidCAN1_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef
GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);//使能PORTA時鐘
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF;//復(fù)用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;//推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_UP;//上拉GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure);//初始化PA11,PA12
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource11,GPIO_AF_CAN1);//GPIOA11復(fù)用為CAN1
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource12,GPIO_AF_CAN1);//GPIOA12復(fù)用為CAN1

3) 當ADC采集的輸入通道，作為普通模擬輸入。

voidADC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);//使能GPIOA時鐘
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;//PA5通道5
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AN;//模擬輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_NOPULL;//不帶上下拉
GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure);//初始化
}

來源：中科芯MCU

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審核編輯 黃宇