通用I/O

• GPIO概述
• GPIO硬件架构与寄存器
• GPIO硬件架构
• GPIO工作模式
• GPIO相关寄存器
• 4个配置寄存器
• 2个数据寄存器
• 1个置位/复位寄存器
• 1个锁存寄存器
• 2个复用功能寄存器
• GPIO库文件架构与代码剖析
• 寄存器版本
• GPIO结构体定义
• GPIO地址映射
• GPIO初始化（寄存器配置）
• GPIO赋值操作
• HAL库版本
• GPIO结构体定义
• GPIO初始化设置
• GPIO赋值操作
• GPIO外部中断

本文从两个方面剖析GPIO：

• 结合《STM32F4xx中文参考手册》，从硬件和寄存器的角度剖析GPIO
• 结合库例程，从软件角度剖析GPIO如何配置，同时剖析嵌入式代码规范

阅读完本文，要能回答以下问题：

1. 简述GPIO口的硬件架构与配置寄存器
2. 配置GPIO口寄存器的代码流程
3. 然后就是结合配置GPIO的代码回答一些嵌入式代码规范的问题：
   1. 寄存器前面的类型修饰符的含义，例如__IO uint32_t ODR
   2. 为啥要用volatile类型修饰符？
   3. 使用unsigned int与int声明后续配置有什么区别？
   4. #define与typedef有什么区别？
   5. 为什么嵌入式代码中有这么多宏定义？
   6. GPIO定义的结构体中的这些配置寄存器变量是怎么映射到实际地址的？
   7. 嵌入式代码中常常需要进行位操作，结合配置GPIO的代码，谈谈如何进行位操作？
   8. 嵌入式代码中常常需要对多位进行位操作，结合配置GPIO的代码，谈谈如何进行位的遍历？
   9. M3M4内核通过位带映射支持直接对位进行操作，谈谈你对位带操作的认识？
   10. 嵌入式代码进入带参数的函数调用中去时，常常会先使用assert_param()函数，结合代码谈谈==assert_param()==的作用

GPIO概述

每组GPIO口包括4个32位的配置寄存器、2个32位的数据寄存器、1个32位的置位/复位寄存器、1个32位锁定寄存器和2个32位复用功能选择寄存器，一共10个寄存器。研究清楚这些寄存器有什么用、以及如何配置，也就搞懂了GPIO。

GPIO硬件架构与寄存器

GPIO硬件架构

GPIO工作模式

GPIO有八种工作模式，四种输入工作模式：
1.== 输入浮空模式==。上拉/下拉电阻不起作用，外部电平直接输入到芯片内部，适合电流要求小的场合。信号送至输入数据寄存器
2.== 输入上拉模式==。上拉电阻起作用。低电平输入时对芯片外部有灌电流。信号送至输入数据寄存器
3. 输入下拉模式。下拉电阻起作用。高电平输入时对芯片外部有拉电流。信号送至输入数据寄存器
4. 模拟模式。上拉/下拉电阻不起作用，信号沿模拟输入线输入到芯片内部ADC

四种输出工作模式：

1. 开漏输出模式。CPU通过置位/复位寄存器或直接写操作，设置好输出数据寄存器。输出驱动器只有一个MOS管工作，当输出1时，MOS管截止，通过外接上拉电阻实现输出高电平。当输出0时，MOS管导通，输出低电平。
2. 开漏复用输出模式。输出的数据来自CPU的片上复用外设。
3. 推挽式输出。输出驱动器的NMOS与PMOS管均工作，当输出1时，PMOS导通，输出高电平，当输出0时，NMOS导通，输出低电平。
4. 推挽式复用输出模式。输出的数据来自CPU的片上复用外设。

GPIO上电复位后，默认工作在输入浮空状态。

GPIO相关寄存器

注意，每组GPIO口通过10个相关寄存器管理好，一组包括16个GPIO口，那么，如果某个寄存器需要2位配置一个口，那刚好均分位，如果某个寄存器只需要1位配置一个口，那一般高16位保留。

4个配置寄存器

1、端口模式寄存器（GPIOx_MODER）

• 每两个位控制一个IO口：00—输入浮空模式（复位状态）；01—通用输出模式；10—复用功能模式；11—模拟模式。不用记忆、会查DATASHEET看懂就行

2、端口输出类型寄存器（GPIOx_OTYPER）

• 配置成推挽或开漏输出，每1位就能控制一个IO口，所以高16位保留

3、端口输出速度寄存器（GPIOx_OSPEEDR）

• 有四种输出速度，每两个位控制一个IO口

4、端口上拉下拉寄存器（GPIOx_PUPDR）

• 有三种情况（无上拉下拉、上拉、下拉），每两个位控制一个IO口

2个数据寄存器

5、端口输入数据寄存器（GPIOx_IDR）

• 每个GPIO的输入有两种情况，用一位来记录，所以高16位保留，这些位是只读模式的。

6、端口输出数据寄存器（GPIOx_ODR）

• 每个GPIO的输出有两种情况，用一位来记录，所以高16位保留，这些位是可读可写的。

1个置位/复位寄存器

7、端口置位/复位寄存器（GPIOx_BSRR）

• 高16位为复位位、低16位为置位位。这些位为只写，0无影响，1有作用。
• ==已经有数据寄存器了，为啥还要这个寄存器？==如果只有数据寄存器，每次设置某一个IO口的取值时，需要先进行读操作，保证其他IO口不受影响，再设置这个IO口。有了置位/复位寄存器，无需进行读操作了，把不用操作的IO口写0就不会影响到那些IO口了。

1个锁存寄存器

8、端口锁存寄存器（GPIOx_LCKR）

• 用的不多，当IO口被锁住时，无法执行CPU的写操作了。

2个复用功能寄存器

9、复用功能低位寄存器（GPIOx_AFRL）

每4位控制一个IO口的复用功能，低位寄存器控制低8位的8个GPIO口的复用功能。一个GPIO口可以复用16个复用功能

10、复用功能高位寄存器（GPIOx_AFRH）

每4位控制一个IO口的复用功能，高位寄存器控制高8位的8个GPIO口的复用功能。

GPIO库文件架构与代码剖析

两个层次，首先是寄存器版本例程，学习如何操作相应寄存器实现操控GPIO口。

寄存器版本

GPIO结构体定义

根据上文所讲的，每组GPIO口对应的10个相关寄存器，定义了以下结构体：

typedef struct
{
  __IO uint32_t MODER;    
  __IO uint32_t OTYPER;   
  __IO uint32_t OSPEEDR;  
  __IO uint32_t PUPDR;    
  __IO uint32_t IDR;      
  __IO uint32_t ODR;      
  __IO uint32_t BSRR;     
  __IO uint32_t LCKR;     
  __IO uint32_t AFR[2];   
} GPIO_TypeDef;

看了上面的结构体定义，我产生了几个疑问：

（1）数据类型_IO uint32_t是什么声明类型？

#define __IO volatile 
typedef unsigned  int uint32_t;

_IO是volatile类型修饰符，uint32_t是unsigned int。

（2）为啥要用volatile类型修饰符？
volatile的意思是告诉编译器，在编译源代码时，对这个变量不要使用优化。具体看这篇文章.

比如写这个io端口的时候，如果没有这个volatile,很可能由于编译器的优化，会先把值先写到一个缓冲区，到一定时候
再写到io端口，这样就不能使数据及时的写到io端口，有了volatile说明以后，就不会再经过cache,write buffer这种，而是直接写到io端口，从而避免了读写io端口的延时

（3）使用unsigned int与int声明的区别？
unsigned int占四个字节，int是默认有符号的即signed int也占4个字节。有符号无符号在使用上有区别，例如我要把寄存器ODR的32位全置1，十进制下，按照无符号类型我要赋值2³²-1，有符号类型我要赋值-2³¹

（4）#define与typedef有什么区别？

• 在编程中使用typedef目的一般有两个，一个是给变量一个易记且意义明确的新名字，另一个是简化一些比较复杂的类型声明。
• #define 宏名 字符串 。其中的“#”表示这是一条预处理命令。凡是以“#”开头的均为预处理命令。“define”为宏定义命令。“标识符”为所定义的宏名。“字符串”可以是常数、表达式、格式串等。
• 关键字typedef在编译阶段有效，由于是在编译阶段，因此typedef有类型检查的功能。
  define则是宏定义，发生在预处理阶段，也就是编译之前，它只进行简单而机械的字符串替换，而不进行任何检查。具体看这篇文章.

（5）结构体中的这些变量是怎么跟实际地址映射到一起的呢？

GPIO地址映射

使用上述声明的结构体定义了11组GPIO

#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
#define GPIOG ((GPIO_TypeDef *) GPIOG_BASE)
#define GPIOH ((GPIO_TypeDef *) GPIOH_BASE)
#define GPIOI ((GPIO_TypeDef *) GPIOI_BASE)
#define GPIOJ ((GPIO_TypeDef *) GPIOJ_BASE)
#define GPIOK ((GPIO_TypeDef *) GPIOK_BASE)

这时候又有疑问了，GPIO的地址映射是什么样的？

每组GPIO的地址是用外设总线基地址+偏移量定义好的

#define GPIOA_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0000)
#define GPIOB_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0400)
#define GPIOC_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0800)
#define GPIOD_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x0C00)
#define GPIOE_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1000)
#define GPIOF_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1400)
#define GPIOG_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1800)
#define GPIOH_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x1C00)
#define GPIOI_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x2000)
#define GPIOJ_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x2400)
#define GPIOK_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0x2800)

外设总线基地址是用外设基地址+偏移量定义好的

#define APB1PERIPH_BASE PERIPH_BASE
#define APB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00010000)
#define AHB1PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00020000)
#define AHB2PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x10000000)

外设基地址是绝对地址了。

#define SRAM2_BASE ((uint32_t)0x2001C000) 
#define SRAM3_BASE ((uint32_t)0x20020000) 
#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000) 

  uint32_t Mode;      

  uint32_t Pull;      

  uint32_t Speed;     

  uint32_t Alternate;  
}GPIO_InitTypeDef;

跟寄存器形式相比较，似乎少了一些定义，然后发现定义的Mode变量既可以设置端口模式，还可以设置端口输出类型。

#define GPIO_MODE_INPUT ((uint32_t)0x00000000) 
#define GPIO_MODE_OUTPUT_PP ((uint32_t)0x00000001) 
#define GPIO_MODE_OUTPUT_OD ((uint32_t)0x00000011) 
#define GPIO_MODE_AF_PP ((uint32_t)0x00000002) 
#define GPIO_MODE_AF_OD ((uint32_t)0x00000012) 

怎么实现一个32位的变量去设置两个32位的寄存器的呢？那就要看后续GPIO初始化的程序。

GPIO初始化设置

void LED_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();           //使能IO时钟
	
    GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1; //PB1,0
    GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  //推挽输出
    GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;          //上拉
    GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;     //¸高速
    HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
	
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET);	//PB0置1
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_SET);	//PB1置1
}

首先是对GPIO_InitTypeDef的成员变量赋值，然后进入HAL_GPIO_Init()函数

HAL库版本的GPIO初始化代码有100多行，比寄存器版本的代码多了10倍，为什么？我们接着研究

1、首先，HAL_GPIO_Init()接收两个入口参数，第一个变量是寄存器版本定义的GPIO_TypeDef变量类型，由此我们知道，GPIO原始的寄存器地址声明在这个变量里面，实际上还是要操作这些配置寄存器。第二个变量是GPIO_InitTypeDef类型，是我们新定义的类型

	HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);

2、进入函数内部的第一步，就是进行入口参数的有效性判断。几乎是带参数的函数前面都有调用assert_param()

  
  assert_param(IS_GPIO_ALL_INSTANCE(GPIOx));
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Init->Pin));
  assert_param(IS_GPIO_MODE(GPIO_Init->Mode));
  assert_param(IS_GPIO_PULL(GPIO_Init->Pull));

assert_param()可以对表达式进行判断，如果表达式为真，什么都不执行，如果表达式为假，进入错误日志函数。这个函数常用于调试阶段检查是否有参数输入错误。

  #define assert_param(expr) ((expr) ? (void)0 : assert_failed((uint8_t *)__FILE__, __LINE__))

  #define IS_GPIO_SPEED(SPEED) (((SPEED) == GPIO_SPEED_FREQ_LOW) || ((SPEED) == GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM) || \ ((SPEED) == GPIO_SPEED_FREQ_HIGH) || ((SPEED) == GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH))

3、有效性判断后，开始进行遍历寻找需要设置的IO口，当IO口被索引到之后，开始正式配置寄存器。

for(position = 0; position < GPIO_NUMBER; position++)
  {
    
    ioposition = ((uint32_t)0x01) << position;
    
    iocurrent = (uint32_t)(GPIO_Init->Pin) & ioposition;

    if(iocurrent == ioposition)
    {
    //开始配置寄存器
    }

4、配置寄存器的操作同上，按照先清零（=取反再位与）再设置（位或）的先后顺序来配置

        assert_param(IS_GPIO_SPEED(GPIO_Init->Speed));
        
        temp = GPIOx->OSPEEDR; 
        temp &= ~(GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR0 << (position * 2));
        temp |= (GPIO_Init->Speed << (position * 2));
        GPIOx->OSPEEDR = temp;

GPIO赋值操作

    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET);	//PB0置1

同样，第一个入口参数是寄存器版本定义的GPIO_TypeDef变量类型，由此我们知道，实际上还是操作这些配置寄存器。函数内部就是设置BSRR寄存器，很容易看明白。

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)
{
  
  assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
  assert_param(IS_GPIO_PIN_ACTION(PinState));

  if(PinState != GPIO_PIN_RESET)
  {
    GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
  }
  else
  {
    GPIOx->BSRR = (uint32_t)GPIO_Pin << 16;
  }
}

GPIO外部中断