MCU微课堂 | CKS32F4xx系列产品GPIO口配置

GPIO(General-purpose input/output)是通用输入输出端口的简称，CKS32F4xx系列产品通过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。最基本的输出功能是由CKS32F4xx系列产品控制引脚输出高、低电平，实现开关控制，如把GPIO引脚接入到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威廉希尔官方网站 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，通过电平高低区分按键是否被按下。

GPIO硬件结构框图

该图从最右端看起，最右端标注着“I/O”的就是代表CKS32F4xx系列产品引出的GPIO引脚，其余部件都位于芯片内部。引脚处的两个保护二级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_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，由此可以防止不正常电压引入芯片导致芯片的烧毁。这里要特别注意VDD_FT 代表IO口兼容3.3V和5V，如果没有标注“FT”，就代表着不兼容5V。在芯片数据手册的引脚定义中，会看到有“电平I/O”一列，有FT标注的即为支持5V,如下图所示：

标号1处是上拉、下拉电阻，从它的结构我们可以看出，通过上、下拉对应的开关配置，我们可以控制引脚默认状态下的电压，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。同时也可以设置“既不上拉也不下拉模式”，我们也把这种状态称为浮空模式。

标号2处是一个由P-MOS和N-MOS管组成的单元威廉希尔官方网站 。这个结构使GPIO具有了“推挽输出”和“开漏输出”两种模式。上方的P-MOS管高电平导通，低电平关闭，下方的N-MOS低电平导通，高电平关闭。

标号3处是输出数据寄存器，它为标号2处的双MOS管结构威廉希尔官方网站 提供输入控制信号，因此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。而图中“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威廉希尔官方网站 的输出。

标号4处是复用功能输出，“复用”是指CKS32F4xx系列产品的其它片上外设可以对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。例如我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯发送引脚，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。

标号5处是输入数据寄存器，它连接到图中的TTL施密特触发器，触发器的基本原理是当输入电压高于正向阈值电压时，输出为高；当输入电压低于负向阈值电压时，输出为低；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, 然后存储在“输入数据寄存器。因此，通过读取该寄存器就可以了解GPIO引脚的电平状态。

标号6处是复用功能输入，与“复用功能输出”模式类似，同样，如果我们使用USART串口通讯时，需要用到某个GPIO引脚作为通讯接收引脚，这个时候就可以把该GPIO引脚配置成USART串口复用功能，使USART可以通过该通讯引脚接收远端数据。

标号7处是模拟输入输出，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，此时信号是不经过施密特触发器的，因为经过施密特触发器后信号只有0、1 两种状态，所以ADC外设要采集到原始的模拟信号，信号源输入必须在施密特触发器之前。同样的，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管结构了，在GPIO结构框图的右下角处，模拟信号直接输出到引脚。

GPIO的工作模式

- 4种输入模式 -

1.浮空输入

浮空输入状态下，IO的电平状态是不确定的，完全由外部输入决定。如果在该引脚悬空的情况下，读取该端口的电平是不确定的。

2.上拉输入

在该模式下，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。

3.下拉输入

在该模式下如果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。

4.模拟功能

当GPIO用于模拟功能时，引脚的上、下拉电阻是不起作用的，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。除了ADC和DAC要将IO配置为模拟功能模式之外，其他外设功能一律要配置为复用功能模式。

- 4种输出模式 -

1.开漏输出(带上拉或者下拉)

在该模式下，若MCU控制输出为高电平1时，输出指令是不会起到作用的。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口就处于高阻态。虽然通过软件设置内部上拉，也可以输出高电平，但是CKS32F4xx系列产品内部上拉是"弱上拉"，即通过此上拉输出的电流是很弱的,驱动能力很弱。但是在该模式下，当MCU控制输出为低电平0时，即使没有上拉或者下拉，I/O端口也会输出低电平。另一方面，在开漏模式下，施密特触发器是打开的，即输入可用，可以通过输入数据寄存器GPIOx_IDR读取I/O的实际状态。开漏输出主要有以下两点作用：

a. I/O端口设置成开漏输出模式时，可以用来连接不同电平的器件，用来匹配电平，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。因此我们通过改变上拉电源的电压，便可以改变传输电平。比如通过加上上拉电阻就可以提供TTL电平-CMOS电平的输出。

b.当多个设置为开漏输出的引脚连接到一条总线上时。通过外加一个上拉电阻，在不增加任何器件的情况下，这些引脚形成了“与逻辑”关系，即“线与”。如果有一个引脚输出为逻辑0，相当于接地，那么与之并联的回路“相当于被一根导线短路”，所以总线上的逻辑电平便为0。只有都为高电平时，总线上的电平才为1。在IIC通信中，引脚通常设置为开漏输出模式。

2.复用开漏输出(带上拉或者下拉)

此时GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；即输出的高低电平来源于其它外设，除了输出信号的来源改变之外，其他的与开漏输出功能相同。

3.推挽输出(带上拉或者下拉)

在该模式下，如果我们控制输出为0，低电平，则I/O端口的电平就是低电平。若控制输出为1，高电平，则I/O端口的电平就是高电平。此时，外部上拉和下拉的作用是控制在没有输出IO口的默认电平。在该模式下，施密特触发器也是打开的，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。

4.复用推挽输出(带上拉或者下拉)

此时GPIO复用为其他外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR无效；即输出的高低电平来源于其它外设，除了输出信号的来源改变之外，其他的与推挽输出功能相同。

- 4种输出速度 -

1. 2MHZ(低速)

2. 25MHZ(中速)

3. 50MHZ(快速)

4. 100MHZ(高速)

GPIO的引脚速度又称输出驱动威廉希尔官方网站 的响应速度，即一个驱动威廉希尔官方网站 可以不失真地通过信号的最大频率。比如信号频率为10MHz，而我们把GPIO速度配置成了2MHz，则10MHz的方波很可能就变成了正弦波，发生了失真。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威廉希尔官方网站 ，我们可以根据自己的需要选择合适的驱动威廉希尔官方网站 ，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。因为GPIO口的速度配置越高，噪声越大，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的速度就够了，既省电，噪声也小；而在SPI接口中，若使用18M或9M的波特率，则需要选用50M的GPIO的引脚速度。

注意：CKS32F407用于配置PA13输出速度的GPIOA_OSPEEDR寄存器的端口 13配置位(GPIOA_OSPEEDR_OSPEEDR13[1:0])初始值为00，即PA13的I/O输出速度默认为低速。因此客户在实际使用CKS32F407时，要按照参考手册中的介绍来配置GPIOA_OSPEED寄存器中 OSPEEDR13[1:0]位，从而来选择PA13的I/O输出指定的速度。

GPIO的配置

接下来我们讲解如何利用CKS32F4xx系列固件库对GPIO口的工作模式进行配置。首先，固件库中定义了一个如下的结构体：

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

通过对该结构体成员中各个变量的初始化，就可以完成对2.2小节中所讲的GPIO口的工作模式配置。结构体中各个成员变量的介绍及初始化时可被赋的值如下：

1)GPIO_Pin:用来选择要控制的GPIO引脚，在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

#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:用来设置已经选择的GPIO引脚的模式，在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

typedefenum
{
GPIO_Mode_IN=0x00,/*!设置为输入模式*/
GPIO_Mode_OUT=0x01,/*!设置为输出模式*/
GPIO_Mode_AF=0x02,/*!设置为复用模式*/
GPIO_Mode_AN=0x03/*!设置为模拟模式*/
}GPIOMode_TypeDef;

3) GPIO_Speed:用来设置已经选择的GPIO引脚的速度，在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

#defineGPIO_Speed_2MHzGPIO_Low_Speed
#defineGPIO_Speed_25MHzGPIO_Medium_Speed
#defineGPIO_Speed_50MHzGPIO_Fast_Speed
#defineGPIO_Speed_100MHzGPIO_High_Speed

4) GPIO_OType:用来设置已经选择的GPIO引脚的输出模式，只有输出模式才需要该配置，输入模式下不需要该配置。在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

typedefenum
{
GPIO_OType_PP=0x00,/*!设置为推挽输出模式*/
GPIO_OType_OD=0x01/*!设置为开漏输出模式*/
}GPIOOType_TypeDef;

5) GPIO_PuPd:用来设置已经选择的GPIO引脚的上下拉，在标准库函数中可选择的值及其定义如下：

typedefenum
{
GPIO_PuPd_NOPULL=0x00,/*!设置为既不上拉也不下拉/浮空模式*/
GPIO_PuPd_UP=0x01,/*!设置为上拉模式*/
GPIO_PuPd_DOWN=0x02/*!设置为下拉模式*/
}GPIOPuPd_TypeDef;

根据上面所讲解的配置方法，我们讲解标准库下的3个实际配置实例。

1)作为普通的GPIO口输出，控制LED灯的亮灭，其GPIO口初始化函数如下：

voidLED_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF,ENABLE);//使能GPIOF时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2;//LED1对应的IO口
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;//输出模式
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) 复用为CAN外设的输出。

voidCAN1_GPIO_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef
GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);//使能PORTA时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF;//复用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP;//推挽输出
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复用为CAN1
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource12,GPIO_AF_CAN1);//GPIOA12复用为CAN1

3) 当ADC采集的输入通道，作为普通模拟输入。

voidADC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);//使能GPIOA时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;//PA5通道5
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AN;//模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd=GPIO_PuPd_NOPULL;//不带上下拉
GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure);//初始化
}

来源：中科芯MCU

免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理

审核编辑 黄宇