沈阳师范大学：《单片机原理与接口技术应用》课程教学资源（PPT课件）第05章 通用输入输出接口GPIO

第5章通用输入/输出接口GPIO

第5章 通用输入/输出 接口GPIO

本章讲述了通用输入/输出接口GPIO，包括通用输入/输出接口概述、GPIO的功能、GPIO常用库函数、GPIO使用流程、GPIO输出应用实例和GPIO输入应用实例

本章讲述了通用输入/输出接口GPIO，包括通用输入／ 输出接口概述、GPIO的功能、GPIO常用库函数、GPIO 使 用流程、GPIO输出应用实例和GPIO输入应用实例

5.1通用输入/输出接口概述几乎在所有的嵌入式系统应用中，都涉及开关量的输入和输出功能，例如状态指示、报警输出、继电器闭合和断开、按钮状态读入、开关量报警信息的输入等。这些开关量的输入和控制输出都可以通过通用输入／输出接口实现STM32F103VET6有80根多功能双向能承受5V电压的快速/O口线。每16根口线分为一组，分别为PA、PB、PC、PD、PE。每个GPIO端口有两个32位配置寄存器（GPIOxCRL，GPIOxCRH），两个32位数据寄存器（GPIOxIDR和GPIOxODR），一个32位置位／复位寄存器（GPIOxBSRR），一个16位复位寄存器（GPIOxBRR）和一个32位锁定寄存器（GPIOxLCKR）

几乎在所有的嵌入式系统应用中，都涉及开关量的输入 和输出功能，例如状态指示、报警输出、继电器闭合和断开 、按钮状态读入、开关量报警信息的输入等。这些开关量的 输入和控制输出都可以通过通用输入／输出接口实现。 STM32F103VET6有80根多功能双向能承受5V电压的快 速I/O口线。每16根口线分为一组，分别为PA、PB、PC、 PD、PE。每个GPIO端口有两个32位配置寄存器（ GPIOx_CRL，GPIOx_CRH），两个32位数据寄存器（ GPIOx_IDR和GPIOx_ODR），一个32位置位／复位寄存器 （GPIOx_BSRR），一个16位复位寄存器（GPIOx_BRR） 和一个32位锁定寄存器（GPIOx_LCKR）。 5.1 通用输入/输出接口概述

GPIO端口的每个位都可以由软件分别配置成以下模式1）输入浮空：浮空（floating）就是逻辑器件的输入引脚既不接高电平，也不接低电平。由于逻辑器件的内部结构，当它输入引脚悬空时，相当于该引脚接了高电平。一般实际运用时，引脚不建议悬空，易受干扰。2）输入上拉：上拉就是把电压拉高，比如拉到Vcc。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平。电阻同时起限流作用。弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。3）输入下拉：就是把电压拉低，拉到GND。与上拉原理相似。4）模拟输入：模拟输入是指传统方式的模拟量输入。数字输入是输入数字信号，即0和1的二进制数字信号

GPIO端口的每个位都可以由软件分别配置成以下模式。 1）输入浮空：浮空（floating）就是逻辑器件的输入引 脚既不接高电平，也不接低电平。由于逻辑器件的内部结构 ，当它输入引脚悬空时，相当于该引脚接了高电平。一般实 际运用时，引脚不建议悬空，易受干扰。 2）输入上拉：上拉就是把电压拉高，比如拉到Vcc。上 拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平。电阻同 时起限流作用。弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严 格区分。 3）输入下拉：就是把电压拉低，拉到GND。与上拉原 理相似。 4）模拟输入：模拟输入是指传统方式的模拟量输入。数 字输入是输入数字信号，即0和1的二进制数字信号

5）开漏输出：输出端相当于三极管的集电极。要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动，其吸收电流的能力相对强（一般20mA以内）。6）推挽式输出：可以输出高低电平，连接数字器件：推挽结构一般是指两个三极管分别受两个互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。7）推挽式复用功能。8）开漏复用功能。复用功能可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情况（即并非作为通用1/O口使用）。每个1/O可以自由编程，而1/O口寄存器必须按32位字访问（不允许半字或字节访问）。GPIOxBSRR和GPIOxBRR寄存器允许对任何GPIO寄存器的读/更改的独立访问，这样，在读和更改访问之间产生中断（IRQ）时不会发生危险。一个I/O口的基本结构如图5-1所示0

5）开漏输出：输出端相当于三极管的集电极。要得到高 电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动，其吸 收电流的能力相对强（一般20mA以内）。 6）推挽式输出：可以输出高低电平，连接数字器件；推 挽结构一般是指两个三极管分别受两个互补信号的控制，总 是在一个三极管导通的时候另一个截止。 7）推挽式复用功能。 8）开漏复用功能。 复用功能可以理解为GPIO口被用作第二功能时的配置情 况（即并非作为通用I/O口使用）。每个I/O可以自由编程，而 I/O口寄存器必须按32位字访问（不允许半字或字节访问）。 GPIOx_BSRR和GPIOxBRR寄存器允许对任何GPIO寄存器 的读/更改的独立访问，这样，在读和更改访问之间产生中断 （IRQ）时不会发生危险。一个I/O口的基本结构如图5-1所示

/VDD模拟输入1至片上外设-开/关√1复用功能输入1开/关/1读出VDD_FTTTL施密本保护二极管开/关特触发器输入驱动器口I/O引脚写入Vss器VDD输出驱动器保护二极管TqLP-MOS输出Y-Vss控制HN-MOS1读/写Vss推挽、开漏复用功能输出或关闭来自片上外设图5-1一个//O口位的基本结构VO口位的基本结构包括以下几部分

输入数据寄存器 位设置/清除寄存器 输出数据寄存器 模拟输入 复用功能输入 至片上外设 读出 写入 读/写 输出 控制 复用功能输出 来自片上外设 VDD 开/关 开/关 开/关 TTL施密 特触发器 VDD VSS VSS VDD_FT I/O引脚 VSS P-MOS N-MOS 推挽、开漏 或关闭 保护二极管 输入驱动器 输出驱动器 保护二极管 图5-1 一个I/O口位的基本结构 I/O口位的基本结构包括以下几部分

5.1.1输入通道包括输入数据寄存器和输入驱动器。在接近/O引脚处连接了两只保护二极管，假设保护二极管的导通电压降为Vd，则输入到输入驱动器的信号电压范围被钳位在：Vss-Vd<Vin<Vdd+Vd由于Vd的导通压降不会超过0.7V，若电源电压Vdd为3.3V，则输入到输入驱动器的信号最低不会低于一0.7V，最高不会高于4V，起到了保护作用

包括输入数据寄存器和输入驱动器。在接近I/O引脚处连 接了两只保护二极管，假设保护二极管的导通电压降为Vd， 则输入到输入驱动器的信号电压范围被钳位在： Vss-Vd<Vin<Vdd+Vd 由于Vd的导通压降不会超过0.7V，若电源电压Vdd为 3.3V，则输入到输入驱动器的信号最低不会低于－0.7V，最 高不会高于4V，起到了保护作用。 5.1.1输入通道

5.1.2输出通道输出通道中包括位设置/清除寄存器、输出数据寄存器、输出驱动器。要输出的开关量数据首先写入到位设置／清除存器，通过读写命令进入输出数据寄存器，然后进入输出驱动的输出控制模块。输出控制模块可以接收开关量的输出和复用功能输出。输出的信号通过由P-MOS和N-MOS场效应管电路输出到引脚。通过软件设置，由P-MOS和N-MOS场效应管电路可以构成推挽方式、开漏方式或者关闭

输出通道中包括位设置/清除寄存器、输出数据寄存器、 输出驱动器。 要输出的开关量数据首先写入到位设置／清除存器，通 过读写命令进入输出数据寄存器，然后进入输出驱动的输出 控制模块。输出控制模块可以接收开关量的输出和复用功能 输出。输出的信号通过由P-MOS和N-MOS场效应管电路输 出到引脚。通过软件设置，由P-MOS和N-MOS场效应管电 路可以构成推挽方式、开漏方式或者关闭。 5.1.2输出通道

5.2 GPIO的功能5.2.1普通/O功能复位期间和刚复位后，复用功能未开启，1/O口被配置成浮空输入模式。复位后，JTAG引脚被置于输入上拉或下拉模式。1）PA13：JTMS置于上拉模式。2）PA14：JTCK置于下拉模式3）PA15：JTDI置于上拉模式。4）PB4：JNTRST置于上拉模式当作为输出配置时，写到输出数据寄存器（GPIOxODR）上的值输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模式或开漏模式（当输出O时，只有N-MOS被打开）使用输出驱动器

5.2 GPIO的功能 复位期间和刚复位后，复用功能未开启，I/O口被配置成 浮空输入模式。 复位后，JTAG引脚被置于输入上拉或下拉模式。 1）PA13：JTMS置于上拉模式。 2）PA14：JTCK置于下拉模式。 3）PA15：JTDI置于上拉模式。 4）PB4：JNTRST置于上拉模式。 当作为输出配置时，写到输出数据寄存器（ GPIOx_ODR）上的值输出到相应的I/O引脚。可以以推挽模 式或开漏模式（当输出0时，只有N-MOS被打开）使用输出 驱动器。 5.2.1普通I/O功能

输入数据寄存器（GPIOxIDR）在每个APB2时钟周期捕捉I/O引脚上的数据。所有GPIO引脚有一个内部弱上拉和弱下拉，当配置为输入时，它们可以被激活也可以被断开

输入数据寄存器（GPIOx_IDR）在每个APB2时钟周期 捕捉I/O引脚上的数据。 所有GPIO引脚有一个内部弱上拉和弱下拉，当配置为 输入时，它们可以被激活也可以被断开