2.GPIO 模塊介紹

GPIO的全稱為通用輸入輸出口，是很多外設(shè)能夠正常工作的必要條件。除了一些特定功能的引腳(如電源腳)外，MCU上其他的引腳都可以當(dāng)做GPIO來(lái)使用。本章，我們將對(duì)GPIO進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并通過(guò)一個(gè)“流水燈”的實(shí)驗(yàn)來(lái)熟悉GPIO的工作模式。

2.1.GPIO 基礎(chǔ)知識(shí)

GD32系列MCU的GPIO口是以“組”的形式工作，命名方式為PX(X=A,B,C,D,E···)，每組配置有16個(gè)pin腳。每個(gè)pin腳都可由軟件配置為輸出(推挽或開(kāi)漏)、輸入、外設(shè)備用功能或者模擬模式。每個(gè) GPIO 引腳都可以配置為上拉、下拉或浮空。除模擬模式外，所有的 GPIO 引腳都具備大電流驅(qū)動(dòng)能力。

GPIO的主要特性

? 輸入/輸出方向控制；

? 施密特觸發(fā)器輸入功能使能控制；

? 每個(gè)引腳都具有弱上拉/下拉功能；

? 推挽/開(kāi)漏輸出使能控制；

? 置位/復(fù)位輸出使能；

? 可編程觸發(fā)沿的外部中斷—使用EXTI配置寄存器;

? 模擬輸入/輸出配置；

? 備用功能輸入/輸出配置；

? 端口鎖定配置；

? 單周期輸出翻轉(zhuǎn)功能；

GPIO結(jié)構(gòu)框圖

如圖所示為標(biāo)準(zhǔn)I/O端口位的基本結(jié)構(gòu)圖。

GPIO引腳配置

在復(fù)位期間或復(fù)位之后，備用功能并未激活，所有GPIO端口都被配置成輸入浮空模式，這種輸入模式禁用上拉(PU)/下拉(PD)電阻。用戶可通過(guò)軟件配置GPIO為輸入或輸出模式。當(dāng) GPIO引腳配置為輸入引腳時(shí)，所有的GPIO引腳內(nèi)部都有一個(gè)可選擇的弱上拉和弱下拉電阻。當(dāng)GPIO引腳配置為輸出引腳，用戶可以配置端口的輸出速度和選擇輸出驅(qū)動(dòng)模式：推挽或開(kāi)漏模式。

輸入配置

當(dāng)GPIO引腳配置為輸入時(shí)：

? 施密特觸發(fā)輸入使能；

? 可選擇的弱上拉和下拉電阻；

? 當(dāng)前I/O引腳上的數(shù)據(jù)在每個(gè)APB2時(shí)鐘周期都會(huì)被采樣并存入端口輸入狀態(tài)寄存器；

? 輸出緩沖器禁用。 如圖為輸入配置是I/O引腳的輸入配置。

輸出配置

當(dāng)GPIO引腳配置為輸出時(shí)：

? 施密特觸發(fā)輸入使能；

? 弱上拉和下拉電阻禁用；

? 輸出緩沖器使能；

? 開(kāi)漏模式：輸出控制寄存器設(shè)置為“0”時(shí)，相應(yīng)引腳輸出低電平；輸出控制寄存器設(shè)置為“1”，相應(yīng)管腳處于高阻狀態(tài)；

? 推挽模式：輸出控制寄存器設(shè)置為“0”時(shí)，相應(yīng)引腳輸出低電平；輸出控制寄存器設(shè)置為“1”，相應(yīng)引腳輸出高電平；

? 對(duì)端口輸出控制寄存器進(jìn)行讀操作，將返回上次寫(xiě)入的值；

? 對(duì)端口輸入狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀操作，將獲得當(dāng)前I/O口的狀態(tài)。

如圖為I/O端口的輸出配置

模擬配置

當(dāng)GPIO引腳配置為模擬模式時(shí)：

? 弱上拉和下拉電阻禁用；

? 輸出緩沖器禁用；

? 施密特觸發(fā)輸入禁用；

? 端口輸入狀態(tài)寄存器相應(yīng)位為“0”。

如圖為I/O端口的輸出配置

2.2.備用功能（AF）

除了用作通用 IO 口以外，所有的 GPIO 都有備用功能。

對(duì)于 GD32F10x/20x/30x/403/E10x/E50x/A501/VF103 系列 MCU,用戶可通過(guò)軟件將某一個(gè) GPIO配置為復(fù)用模式，然后再使能相應(yīng)外設(shè)即可使用 IO 對(duì)應(yīng)的復(fù)用功能。

對(duì)于 GD32F1x0/3x0/4xx/E23x/A501 系列 MCU，用戶可通過(guò)軟件將某一個(gè) GPIO 配置為復(fù)用模式，同時(shí)還需要設(shè)置 GPIO 備用功能選擇寄存器選擇 16 個(gè)備用功能中的一個(gè)。以 GD32F130 為例，說(shuō)下具體的配置流程。

(1) 設(shè)置 GPIO 模式 gpio_mode_setgpio_mode_set函數(shù)原型為：

void gpio_mode_set(uint32_t gpio_periph, uint32_t mode, uint32_t pull_up_down, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形參gpio_periph為需要設(shè)置的GPIO口組，其對(duì)應(yīng)的實(shí)參為GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形參mode為需要設(shè)置的GPIO模式，對(duì)應(yīng)的實(shí)參為：

GPIO_MODE_INPUT(輸入模式)
GPIO_MODE_OUTPUT(輸出模式)
GPIO_MODE_AF(復(fù)用模式)
GPIO_MODE_ANALOG(模擬模式)

形參pull_up_down為GPIO的上下拉設(shè)置，對(duì)應(yīng)的實(shí)參為：

GPIO_PUPD_NONE(無(wú)上下拉)
GPIO_PUPD_PULLUP(上拉)
GPIO_PUPD_PULLDOWN(下拉)

形參pin為pin腳號(hào)，實(shí)參為GPIO_PIN_x(x=0..15)。

(2) 設(shè)置 AF 類型 gpio_af_set

當(dāng)需要將GPIO設(shè)置為復(fù)用模式時(shí)，除了調(diào)用gpio_mode_se設(shè)置GPIO模式外，還需要調(diào)用函數(shù)gpio_af_set進(jìn)行復(fù)用類型的設(shè)置。gpio_af_set函數(shù)原型為：

void gpio_mode_set(uint32_t gpio_periph, uint32_t alt_func_num, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形參gpio_periph為需要設(shè)置的GPIO口組，其對(duì)應(yīng)的實(shí)參為GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形參alt_func_num為需要設(shè)置復(fù)用類型，對(duì)應(yīng)的實(shí)參為：

GPIO_AF_0(復(fù)用類型0)
GPIO_AF_1(復(fù)用類型1)
GPIO_AF_2(復(fù)用類型2)
GPIO_AF_3(復(fù)用類型3)
GPIO_AF_4(復(fù)用類型4)
GPIO_AF_5(復(fù)用類型5)
GPIO_AF_6(復(fù)用類型6)
GPIO_AF_7(復(fù)用類型7)

F1x0、F3x0、F4xx(F405\F407\F450)、E23x系列MCU的GPIO的復(fù)用類型可以從對(duì)應(yīng)MCU的 Datasheet中查得，如GD32F130系列的復(fù)用類型表如下圖(部分截圖)：

形參pin為pin腳號(hào)，實(shí)參為GPIO_PIN_x(x=0..15)。

根據(jù)以上介紹，如設(shè)置PA0為復(fù)用模式，且設(shè)置功能為USART0_CTS功能，函數(shù)調(diào)用如下：

gpio_mode_set(GPIOA,GPIO_MODE_AF,GPIO_PUPD_NONE,GPIO_PIN_0)；
gpio_af_set (GPIOA,GPIO_AF_1,GPIO_PIN_0);

2.3.I/O 重映射功能

本節(jié)內(nèi)容只適用于GD32F10x/30x/403/E103/E50x/A501/VF103系列MCU。

介紹

為了擴(kuò)展 GPIO 的 靈 活 性 或 外 設(shè) 功 能 使 用 ， 通 過(guò) 配 置 AFIO 端 口 配 置 寄 存 器（AFIO_PCF0/AFIO_PCF1），每個(gè)I/O引腳都可以配置多達(dá)4種不同的功能。通過(guò)使用外設(shè) IO 的重映射功能可以選擇合適的引腳另外，通過(guò)配置相應(yīng)的EXTI源選擇寄存器（AFIO_EXTISSx）選擇觸發(fā)中斷或事件，GPIO引腳可以用作EXTI中斷線。

主要特性

? EXTI 源選擇

? 每個(gè)引腳具有多達(dá)4種備用功能的配置外設(shè)重映射配置以GD32F30x的USART0 AF重映射來(lái)說(shuō)明重映射配置。

由上表可看出，當(dāng) USART0_REMAP = 0 時(shí) ，USART0_TX 和USART0_RX 功 能 映 射 在 PA9 、 PA10 上 ，而當(dāng) USART0_REMAP = 1 時(shí) ，USART0_TX和USART0_RX功能映射在PB6、PB7上。

其他外設(shè)端口重映射或其他系列MCU重映射表，請(qǐng)參考各系列MCU的User Manual。

JTAG/SWD 備用功能重映射

調(diào)試接口信號(hào)映射在 GPIO 端口的情況下表所示。

為了減少用于調(diào)試的 GPIO 端口，用戶可以配置 AFIO_PCF0 寄存器中的 SWJ_CFG [2:0]位為不同的值。具體情況參照下表調(diào)試端口映射。

注意：當(dāng)JTAG或SWD定義的IO口被用戶設(shè)置為其他功能時(shí)，需要根據(jù)此表將JTAG或SWD功能關(guān)閉，否則可能會(huì)出現(xiàn)MCU無(wú)法運(yùn)行的情況。

2.4.硬件連接說(shuō)明

本章以一個(gè)“流水燈”的實(shí)驗(yàn)來(lái)熟悉GPIO的工作模式。

“流水燈”實(shí)驗(yàn)硬件連接圖

如實(shí)驗(yàn)硬件連接圖所示，LED2、LED3通過(guò)470Ω電阻和MCU的PF0、PF1連接，另一端接GND，可通過(guò)配置PF0、PF1的輸出電平，來(lái)達(dá)到控制LED2、LED3亮滅的目的。

讀者可以根據(jù)典型硬件連接圖和相應(yīng)系列的Datasheet設(shè)計(jì)出自己的硬件連接方式。

2.5.軟件配置說(shuō)明

本小節(jié)講解GPIO_Example例程中GPIO的配置說(shuō)明，主要包括外設(shè)時(shí)鐘配置、GPIO引腳配置、主函數(shù)介紹以及運(yùn)行結(jié)果。

軟件設(shè)計(jì)的流程如下：

(1) 使能GPIOF時(shí)鐘

(2) 初始化PF0和PF1，將這兩個(gè)引腳配置為推挽輸出

(3) 通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)配置PF0和PF1的電平，再通過(guò)一些延時(shí)處理，使LED2和LED3交替點(diǎn)亮，以實(shí)現(xiàn)流水燈

外設(shè)時(shí)鐘配置

外設(shè)時(shí)鐘配置如代碼清單GPIO例程時(shí)鐘配置所示，在GD32全系列MCU中需打開(kāi)GPIOF時(shí)鐘。

void rcu_config(void)
{
/* enable the led clock */
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOF);
}

GPIO 引腳配置

代碼清單 0-9.GPIO 例程引腳配置

void gpio_config(void)
{
/* configure led GPIO port */ 
#if defined GD32F10X_HD || GD32F30X_HD || GD32F20X_CL || GD32E10X 
gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_0);
gpio_init(GPIOF, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_1);
#elif GD32F1X0 || GD32F4XX || GD32F3X0 || GD32E23X
gpio_mode_set(GPIOF,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_NONE,GPIO_PIN_0);
gpio_mode_set(GPIOF,GPIO_MODE_OUTPUT,GPIO_PUPD_NONE,GPIO_PIN_1);
gpio_output_options_set(GPIOF,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_0);
gpio_output_options_set(GPIOF,GPIO_OTYPE_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ,GPIO_PIN_1);
#endif
}

如代碼清單GPIO例程引腳配置 ，GD32F10X、GD32F30X、GD32F20X、GD32E10X系列GPIO配置為推挽輸出相同，調(diào)用gpio_init函數(shù)(由標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供)即可，此函數(shù)原型為：

void gpio_init(uint32_t gpio_periph, uint32_t mode, uint32_t speed, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形參gpio_periph為需要設(shè)置的GPIO口組，其對(duì)應(yīng)的實(shí)參為GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形參mode為需要設(shè)置的GPIO模式，對(duì)應(yīng)的實(shí)參為：

GPIO_MODE_AIN(模擬輸入)
GPIO_MODE_IN_FLOATING(浮空輸入)
GPIO_MODE_IPD(下拉輸入)
GPIO_MODE_IPU(上拉輸入)
GPIO_MODE_OUT_OD(開(kāi)漏輸出)
GPIO_MODE_OUT_PP(推挽輸出)
GPIO_MODE_AF_OD(復(fù)用開(kāi)漏輸出)
GPIO_MODE_AF_PP(復(fù)用推挽輸出)

形參speed為GPIO的速度設(shè)置，對(duì)應(yīng)的實(shí)參為：

GPIO_OSPEED_2MHZ
GPIO_OSPEED_10MHZ
GPIO_OSPEED_50MHZ
GPIO_OSPEED_MAX(只有部分系列 MCU 的 GPIO 支持大于 50MHz)

形參pin為pin腳號(hào)，實(shí)參為GPIO_PIN_x(x=0..15)。

實(shí)際上GPIO的速度設(shè)置只在設(shè)置為輸出模式下才有效，輸入模式下是無(wú)效的。

如代碼清單GPIO例程引腳配置 ，F(xiàn)1x0、F4xx、F3x0、E23x系列GPIO配置為推挽輸出相同，需調(diào)用gpio_mode_set和gpio_output_options_set函數(shù)。

(1) gpio_mode_set函數(shù)

gpio_mode_set函數(shù)原型為：

void gpio_mode_set(uint32_t gpio_periph, uint32_t mode, uint32_t pull_up_down, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形參gpio_periph為需要設(shè)置的GPIO口組，其對(duì)應(yīng)的實(shí)參為GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形參mode為需要設(shè)置的GPIO模式，對(duì)應(yīng)的實(shí)參為：

GPIO_MODE_INPUT(輸入模式)
GPIO_MODE_OUTPUT(輸出模式)
GPIO_MODE_AF(復(fù)用模式)
GPIO_MODE_ANALOG(模擬模式)

形參pull_up_down為GPIO的上下拉設(shè)置，對(duì)應(yīng)的實(shí)參為：

GPIO_PUPD_NONE(無(wú)上下拉)
GPIO_PUPD_PULLUP(上拉)
GPIO_PUPD_PULLDOWN(下拉)

形參pin為pin腳號(hào)，實(shí)參為GPIO_PIN_x(x=0..15)。

(2) gpio_output_options_set函數(shù)

當(dāng)需要將GPIO設(shè)置為輸出模式時(shí)，除了調(diào)用gpio_mode_set設(shè)置GPIO模式外，還需要調(diào)用函數(shù)gpio_output_options_set進(jìn)行GPIO的速度及輸出類型的設(shè)置。gpio_output_options_set函數(shù)原型為：

void gpio_output_options_set(uint32_t gpio_periph, uint8_t otype, uint32_t speed, uint32_t pin)
{
xxx
xxx
}

其中形參gpio_periph為需要設(shè)置的GPIO口組，其對(duì)應(yīng)的實(shí)參為GPIOx(x = A,B,C,D,E,F,G)，形參otype為需要設(shè)置的GPIO輸出類型，對(duì)應(yīng)的實(shí)參為：

GPIO_OTYPE_PP(推挽模式)
GPIO_OTYPE_OD(開(kāi)漏模式)

形參speed為引腳速度，實(shí)參為：

GPIO_OSPEED_2MHZ
GPIO_OSPEED_10MHZ
GPIO_OSPEED_50MHZ
GPIO_OSPEED_MAX(只有部分系列 MCU 的 GPIO 支持大于 50MHz)

形參pin為pin腳號(hào)，實(shí)參為GPIO_PIN_x(x=0..15)。

主函數(shù)說(shuō)明

代碼清單 GPIO 例程主函數(shù)

int main(void)
{
systick_config();
rcu_config();
gpio_config();
GPIO_BC(GPIOF) = GPIO_PIN_0;
GPIO_BC(GPIOF) = GPIO_PIN_1;
while(1){
 /* turn on led2, turn off led3 */
GPIO_BC(GPIOF) = GPIO_PIN_0;
GPIO_BOP(GPIOF) = GPIO_PIN_1;
delay_1ms(1000);
/* turn on led3, turn off led2 */
GPIO_BC(GPIOF) = GPIO_PIN_1;
GPIO_BOP(GPIOF) = GPIO_PIN_0;
delay_1ms(1000);
 }
}

如代碼清單 GPIO 例程主函數(shù)，該主函數(shù)主要分成四部分，systick 配置、RCU 時(shí)鐘配置、GPIO 配置和 while(1)主循環(huán)，其中 systick 配置用于產(chǎn)生延時(shí)，while(1)主循環(huán)通過(guò)控制相應(yīng) GPIO 的 BC 和 BOP 寄存器來(lái)控制 GPIO 的輸出電平。

運(yùn)行結(jié)果

2.6.GPIO 使用注意事項(xiàng)

1. 當(dāng)出現(xiàn)在調(diào)試狀態(tài)下程序可運(yùn)行，但run模式下MCU無(wú)法啟動(dòng)，需要查看是否使用了JTAG口定義的IO，用戶需要在程序中將JTAG口功能屏蔽，具體請(qǐng)參考2.3節(jié)。

2. 當(dāng)JTAG和SWD功能都被禁用后，MCU將無(wú)法通過(guò)仿真器連接。