【嵌入式系统原理与应用】南航嵌入式 第五章—— 数字输入输出系统设计

第五章 数字输入输出系统设计

学习目标

• 掌握GPIO基本知识（重点工作模式）*
• 熟练掌握GPIO三种基本操作方法*
• 熟悉数字信号的逻辑电平及其转换
• 了解数字输入输出接口的扩展
• 熟悉输入输出接口的一般结构
• 熟练掌握常用人机通道的原理及应用

重要内容

• 1、GPIO的基本特性：输入缓冲、输出锁存
• 2、GPIO工作模式：高阻（浮空）输入、开漏、推挽输出，上下拉输入、双向输入输出
• 3、GPIO中断类型及用途
• 4、GPIO配置寄存器及工作方式编程（汇编、寄存器及固件库方式）
• 5、GPIO输入数据寄存器和输出数据寄存器编程（汇编、寄存器及固件库方式）
• 6、知晓逻辑电平为何要变换，有哪些方法
• 7、简单人机交互接口的应用（发光管、按键）

通用输入输出端口

​ GPIO端口(General Purpose Input Output　Port)即通用输入/输出端口，是可编程的通用并行I/O接口，主要用于需要数字量输入/输出的场合。

​ 主要特点：输入缓冲、输出缓存

GPIO基本工作模式

• 高阻输入模式
  • 由于三态门控制输入状态的读取，在读无效时呈高阻状态
  • 
• 开漏输出模式
  • 在普通输出模式基础上，使输出MOS管的漏极开路的一种输出方式。
  • 
  • 
• 推挽输出模式
  • GPIO推挽输出是指输出端口采用推挽放大电路以输出更大的电流。
  • 
• 准双向I/O模式
  • GPIO的准双向I/O模式就是可以在需要输入的时候读外部的数据(输入)，需要输出的时候就向端口发送数据
  • 
• 端口的上下拉
  • GPIO的引脚内部可配置为上拉或下拉，如果内部没有配置方式，则可以外接上拉电阻或下拉电阻。所谓上拉指的是引脚与电源VDD或VCC之间接一个大小100K左右的电阻，下拉指的是引脚与负电源VSS或地GND之间接一个100K左右的电阻。
  • 

GPIO端口保护

• 采用二极管钳位的方式来保护
• 采用ESD器件的方式保护

GPIO端口的中断

​ MCU在处理其他事务时，靠不断查询引脚的状态，效率是低下的，采用中断机制解决问题。

​ 当引脚有变化时产生一个中断请求，微控制器在中断服务程序中去做相应引脚中断的处理任务，从而提高了效率。

STM32F10x的GPIO相关寄存器

• 两个32位配置寄存器：配置输入输出模式和输出频率
  • GPIOx_CRL
  • GPIOx_CRH
  • 
  • 注意：上拉时：除了CNF=10,ODR中相应位要置为1，下拉时置为0！
  • 
• 两个32位数据寄存器：存放输入16数据和数据数据（高位保留）
  • 输入寄存器GPIOx_IDR
  • 输出寄存器GPIOx_ODR
• 两个32置复位寄存器：置位指定引脚，复位指定引脚
  • 32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR)
  • 16位复位寄存器(GPIOx_BRR)
• 一个32位锁定寄存器：锁存数据，一般很少使用
  • GPIOx_LCKR

GPIO的使能

​ GPIO连接在APB2总线上，使用RCC寄存器来选择是否打开

GPIO地址映射

GPIO汇编指令的操作方法

汇编语言操作

初始化GPIOx端口：	
	LDR Rn,=GPIOx_CRL  or  GPIO_CRH
	LDR Ri,=Command
	STR Ri,[Rn]	;写控制寄存器初始化GPIOx端口
读GPIOx端口数据：
	LDR Rn,=GPIOx_IDR
	LDRH Ri,[Rn]
写数据到GPIOx端口：
	LDR Rn,=GPIOx_ODR
	LDR Ri,=Data
	STRH Ri,[Rn]

GPIO寄存器操作

GPIOx_CRL配置寄存器:		GPIOx->CRL	如GPIOA->CRL
GPIOx_CRH配置寄存器:		GPIOx->CRH	如GPIOB->CRH
GPIOx_IDR输入数据寄存器:		GPIOx->IDR	如GPIOC->IDR
GPIOx_ODR输入数据寄存器:		GPIOx->CRL	如GPIOD->ODR
初始化GPIOx端口：	
	GPIOx->CRL=Command;//写控制寄存器L初始化GPIOx端口
	GPIOx->CRH=Command;//写控制寄存器H初始化GPIOx端口
读GPIOx端口数据：
	u16 DataP;
	DataP=GPIOx->IDR;
写数据到GPIOx端口：
	GPIOx->ODR=data;//data为16位无符号数

GPIO固件库函数操作方法

一、初始化GPIO端口
1、用RCC_APB2PeriphClockCmd()函数使能GPIO时钟
2、用GPIO_Init()函数初始化GPIO端口
二、读GPIO端口数据
1、用GPIO_ReadInputDataBit()函数读取指定GPIO引脚的电平状态
2、用GPIO_ReadInputData()函数读取指定GPIO整个端口的16位数据
三、写GPIO端口数据
1、用GPIO_SetBits()函数置位多个指定I/O引脚（高电平输出）
2、用GPIO_ResetBits()函数复位多个指定I/O引脚（低电平输出）
3、用GPIO_WriteBit()函数写指定一个I/O引脚高低电平
4、用GPIO_Write()函数写指定一个完整GPIO端口16位数据

GPIO_Init()使用的参量

一、输出时
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_n;//n=0~15定义引脚
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//输出频率10MHz,2MHz,50MHz
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//输出工作模式	
	GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure);//调用初始化GPIO函数
二、输入时
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_n;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//输入工作模式	
	GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure);
引脚定义：可多个引脚合并定义，中间用|，如GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2
输入工作模式：		
			GPIO_Mode_AIN		模拟输入 
			GPIO_Mode_IN_FLOATING 	浮空输入
	  		GPIO_Mode_IPD 		下拉输入
			GPIO_Mode_IPU 		上拉输入
输出模式：			
			GPIO_Mode_Out_OD		开漏输出
			GPIO_Mode_Out_PP		推挽输出
  			GPIO_Mode_AF_OD		多功能开漏输出
  			GPIO_Mode_AF_PP		多功能推挽输出	

实例

​ 如图所示，写出除使能GPIO时钟外，让LED1和LED4亮，LED2和LED5灭的汇编语言程序
片段。
​ APB2时钟使能寄存器RCC地址：0x40021018
​ GPIOD_CRL地址=0x40011400
​ GPIOD_CRH地址=0x40011404
​ GPIOD_ODR地址=0x4001140C

汇编语言

LDR R0,=0x40011400	;GPIOD_CRL
LDR R1,[R0]		;加载控制寄存器到R1
LDR R2,=0x20022200	;选择PD2,PD3,PD4,PD7为2MHz推挽输出，其它为输入
ORRS R1,R1,R2		;#0x20022200=0010 0000 0000 0010 0010 0010 0000 0000
LDR R2,=0x2FF222FF
ANDS R1,R1,R2		;#0x2FF222FF=0010 1111 1111 0010 0010 0010 1111 1111
STR R1,[R0]		;写到控制寄存器CRL中
LDR R0,=0x4001140C	;GPIOD_ODR
LDR R1,[R0]
ANDS R1,R1,#0xEB		;1110 1011
ORRS R1,R1,#0x88		;1000 1000
STRH R1,[R0]		;写入输出数据寄存器ODR

寄存器

u32 CtrlPort=0;
CtrlPort=GPIOD->CRL;//取CRL值
CtrlPort|=0x20022200;
CtrlPort&=0x2FF222FF;
GPIOD->CRL=CtrlPort;
GPIOD->ODR|=(1<<3)|(1<<7);
GPIOD->ODR&=~(1<<2)&~(1<<4);

固件库函数

GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; 
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_7;/*PD2/3/4/7为输出引脚*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;  	/*速度2MHz*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;	/*推挽输出*/
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);		/*初始化GPIOD端口*/
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_7);    /*PD3：LED2、PD7：LED5为1灭*/
GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_4);    /*PD2：LED1、PD4：LED4为0亮*/

其他例子

【例5.1】假设PD2、PD3、PD4和PD7为推挽输出作为LED发光二极管（LED1~LED4）输出控制，0亮，1灭，PD11、PD12、PC13和PA0为上拉输入，作为KEY1~KEY4四个按键输入，设置各PORTA、PORTC和PORTD工作频率为10MHz出。并让LD1~LD4全部灭。

GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure; 
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA ｜ RCC_APB2Periph_GPIOC
	｜RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE); /*使能GPIOA，C，D端口时钟*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12;		/*PD11/12输入*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;/*高阻输入*/
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);			/*初始化GPIOD端口*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 ;
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);	
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);	
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_7;//PD2/3/4/7入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;  	/*速度10MHz*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;	/*推挽输出*/
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);			/*初始化GPIOD端口*/
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_2｜GPIO_Pin_3｜ GPIO_Pin_4｜ GPIO_Pin_7｜);	    /*PD2：LED1、PD3：LED3、PD4：LED3、PD7：LED4全为1灭*/

数字信号的逻辑电平转换

需要数字逻辑电平转换的原因

​ 不同逻辑电平之间如果不进行逻辑电平的变换，由于逻辑电平的不一致，使发送的 0 和 1 信息到达接收端无法正确识别 0 和 1 逻辑信息，即无法进行正确地相互交互，因此对于不同逻辑电平必须进行逻辑电平的转换方能连接。

常用的转换方法

• （1）限流电阻加钳位二极管方式进行同逻辑电平转换接口
• （2）用电阻与三极管构成的逻辑电平转换接口
• （3）仅用两只电阻组成的逻辑电平转换接口
• （4）用专用逻辑电平转换芯片进行逻辑电平转换
• （5）采用光电耦合器实现逻辑电平隔离转换

最后

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