STM32 开发寄存器版本] (I) - GPIO
一、前言
STM32的GPIO(通用输入输出)是STM32微控制器中用于连接和控制外部设备的重要功能。为了从底层探究其工作原理,本文将基于寄存器对STM32进行GPIO功能的开发。本文涉及到的硬件设备和实验目标如下:
- 硬件设备:正点原子STM32F103ZET6精英板
- 实验目标:实现LED0(PB5)和LED1(PE5)的流水灯效果
二、GPIO的八种工作模式
STM32的IO口可以由软件配置成如下8种工作模式:
IO口工作模式 | 应用场景 |
---|---|
输入浮空 | 输入捕获、串口RX、SPI_SCK的从模式等 |
输入上拉 | OTG、外部中断输入 |
输入下拉 | 某些使能情况 |
模拟输入 | ADC |
推挽输出 | LED、继电器等 |
开漏输出 | / |
复用功能推挽输出 | 输出比较、互补输出、串口TX |
复用功能开漏输出 | I2C_SCL、I2C_SDA |
三、寄存器介绍
3.1 控制GPIO的寄存器
STM32的每个IO口都可以*编程,但IO口寄存器必须要按32位字被访问,STM32的每个IO端口都有7个寄存器来控制,如下表所示:
寄存器 | 功能 |
---|---|
GPIOx_CRL (x=A..E) | 端口配置低寄存器 |
GPIOx_CRH (x=A..E) | 端口配置高寄存器 |
GPIOx_IDR (x=A..E) | 端口输入数据寄存器 |
GPIOx_ODR (x=A..E) | 端口输出数据寄存器 |
GPIOx_BSRR (x=A..E) | 端口位设置/清除寄存器 |
GPIOx_BRR (x=A..E) | 端口位清除寄存器 |
GPIOx_LCKR (x=A..E) | 端口配置锁定寄存器 |
其中,最常用的4个寄存器是CRL、CRH、IDR、ODR。
3.1.1 STM32的IO口配置
STM32的IO口位配置表如下所示:
在流水灯的输出模式下,MODE[1:0]可以控制最大输出速度:
3.1.2 CRL/CRH寄存器
《STM32中文参考手册》对CRL寄存器的描述如下:
CRL控制每个并口的低8位(相应的,CRH控制每个并口的高八位)。每个独立的IO由4个位控制,高两位为CNF寄存器,用来区别配置模式,低两位为MODE寄存器,用来控制最大输出速度。
若将某一位输出端口设置为50MHz推挽输出,则该位的CRL寄存器应设置为0X3(即0011)
对CRH的寄存器配置同理。
3.1.3 IDR寄存器
《STM32中文参考手册》对IDR寄存器的描述如下:
IDR寄存器为只读寄存器,且只能以字(16位)的形式读出,读出的值为对应I/O口的状态。由于流水灯位IO输出实验,故用不到IDR寄存器。
3.1.4 ODR寄存器
《STM32中文参考手册》对ORD寄存器的描述如下:
ODR寄存器为可读可写寄存器,且只能以字(16位)的形式读出。本次实验可以通过ODR寄存器实现LED灯的翻转效果。
3.2 时钟使能寄存器
本文使用到的PB5和PE5分别归属在GPIOB和GPIOE外设下,GPIOB和GPIOE的外设时钟使能是通过RCC下的AHB2外设时钟使能寄存器RCC_AHBENR寄存器设置的。《STM32中文参考手册》对RCC_AHB2ENR寄存器的描述如下:
通过将位6和为3置1可以实现GPIOB和GPIOE的时钟使能。
四、硬件分析
LED0和LED1的硬件原理图如下所示:
当LED0和LED1为1时关灯;当LED0和LED1为0时开灯。
五、程序撰写
5.1 HARDWARE/led.c
该文件主要实现led的初始化:使能时钟、配置GPIO的工作模式并给予IO口默认电平。
#include "led.h"
void LED_Init(void)
{
RCC->APB2ENR|=1<<3; //使能PORTB时钟
RCC->APB2ENR|=1<<6; //使能PORTE时钟
GPIOB->CRL&=0XFF0FFFFF;
GPIOB->CRL|=0X00300000;//PB.5 推挽输出
GPIOB->ODR|=1<<5; //PB.5 输出高
GPIOE->CRL&=0XFF0FFFFF;
GPIOE->CRL|=0X00300000;//PE.5推挽输出
GPIOE->ODR|=1<<5; //PE.5输出高
}
5.2 HARDWARE/led.h
该文件主要通过宏定义调用Pxout(y)函数。
#ifndef __LED_H
#define __LED_H
#include "sys.h"
//LED端口定义
#define LED0 PBout(5) // DS0
#define LED1 PEout(5) // DS1
void LED_Init(void); //初始化
#endif
5.3 USER/test.c
该文件主要实现流水灯的主功能。
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
int main(void)
{
Stm32_Clock_Init(9);//系统时钟设置
delay_init(72); //延时初始化
LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口
while(1)
{
LED0=0;
LED1=1;
delay_ms(300);
LED0=1;
LED1=0;
delay_ms(300);
}
}
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print dir; print bytes; print xA; print xB; main Printf函数通过F#的反射机制和.NET的ToString方法来解析“%A”模式,适用于任何类型的值,也可以通过F#中的print_any和print_to_string函数来完成类似的功能。值和函数(Values and Functions) 在F#中函数也是值,F#处理它们的语法也是类似的。 let n = 10let add a b = a + blet addFour = add 4let result = addFour n printfn "result = %i" result 可以看到定义值n和函数add的语法很类似,只不过add还有两个参数。对于add来说a + b的值自动作为其返回值,也就是说在F#中我们不需要显式地为函数定义返回值。对于函数addFour来说,它定义在add的基础上,它只向add传递了一个参数,这样对于不同的参数addFour将返回不同的值。考虑数学中的函数概念,F(x, y) = x + y,G(y) = F(4, y),实际上G(y) = 4 + y,G也是一个函数,它接收一个参数,这个地方是不是很类似?这种只向函数传递部分参数的特性称为函数的柯里化(curried function)。 当然对某些函数来说,传递部分参数是无意义的,此时需要强制提供所有参数,可是将参数括起来,将它们转换为元组(tuple)。下面的例子将不能编译通过: let sub(a, b) = a - blet subFour = sub 4 必须为sub提供两个参数,如sub(4, 5),这样就很像C#中的方法调用了。 对于这两种方式来说,前者具有更高的灵活性,一般可优先考虑。 如果函数的计算过程中需要定义一些中间值,我们应当将这些行进行缩进: let halfWay a b = let dif = b - a let mid = dif / 2 mid + a 需要注意的是,缩进时要用空格而不是Tab,如果你不想每次都按几次空格键,可以在VS中设置,将Tab字符自动转换为空格;虽然缩进的字符数没有限制,但一般建议用4个空格。而且此时一定要用在文件开头添加#light指令。作用域(Scope)作用域是编程语言中的一个重要的概念,它表示在何处可以访问(使用)一个标识符或类型。所有标识符,不管是函数还是值,其作用域都从其声明处开始,结束自其所处的代码块。对于一个处于最顶层的标识符而言,一旦为其赋值,它的值就不能修改或重定义了。标识符在定义之后才能使用,这意味着在定义过程中不能使用自身的值。 let defineMessage = let message = "Help me" print_endline message // error 对于在函数内部定义的标识符,一般而言,它们的作用域会到函数的结束处。 但可使用let关键字重定义它们,有时这会很有用,对于某些函数来说,计算过程涉及多个中间值,因为值是不可修改的,所以我们就需要定义多个标识符,这就要求我们去维护这些标识符的名称,其实是没必要的,这时可以使用重定义标识符。但这并不同于可以修改标识符的值。你甚至可以修改标识符的类型,但F#仍能确保类型安全。所谓类型安全,其基本意义是F#会避免对值的错误操作,比如我们不能像对待字符串那样对待整数。这个跟C#也是类似的。 let changeType = let x = 1 let x = "change me" let x = x + 1 print_string x 在本例的函数中,第一行和第二行都没问题,第三行就有问题了,在重定义x的时候,赋给它的值是x + 1,而x是字符串,与1相加在F#中是非法的。 另外,如果在嵌套函数中重定义标识符就更有趣了。 let printMessages = let message = "fun value" printfn "%s" message; let innerFun = let message = "inner fun value" printfn "%s" message innerFun printfn "%s" message printMessages 打印结果: fun value inner fun valuefun value 最后一次不是inner fun value,因为在innerFun仅仅将值重新绑定而不是赋值,其有效范围仅仅在innerFun内部。递归(Recursion)递归是编程中的一个极为重要的概念,它表示函数通过自身进行定义,亦即在定义处调用自身。在FP中常用于表达命令式编程的循环。很多人认为使用递归表示的算法要比循环更易理解。 使用rec关键字进行递归函数的定义。看下面的计算阶乘的函数: let rec factorial x = match x with | x when x < 0 -> failwith "value must be greater than or equal to 0" | 0 -> 1 | x -> x * factorial(x - 1) 这里使用了模式匹配(F#的一个很棒的特性),其C#版本为: public static long Factorial(int n) { if (n < 0) { throw new ArgumentOutOfRangeException("value must be greater than or equal to 0"); } if (n == 0) { return 1; } return n * Factorial (n - 1); } 递归在解决阶乘、Fibonacci数列这样的问题时尤为适合。但使用的时候要当心,可能会写出不能终止的递归。匿名函数(Anonymous Function) 定义函数的时候F#提供了第二种方式:使用关键字fun。有时我们没必要给函数起名,这种函数就是所谓的匿名函数,有时称为lambda函数,这也是C#3.0的一个新特性。比如有的函数仅仅作为一个参数传给另一个函数,通常就不需要起名。在后面的“列表”一节中你会看到这样的例子。除了fun,我们还可以使用function关键字定义匿名函数,它们的区别在于后者可以使用模式匹配(本文后面将做介绍)特性。看下面的例子: let x = (fun x y -> x + y) 1 2let x1 = (function x -> function y -> x + y) 1 2let x2 = (function (x, y) -> x + y) (1, 2) 我们可优先考虑fun,因为它更为紧凑,在F#类库中你能看到很多这样的例子。 注意:本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写,在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。 F#系列随笔索引页面