STM32 GPIO寄存器的相關知識

一、前言

在之前的STM32的GPIO理論基礎知識中，分別對基本結構和工作模式進行了詳細的介紹。 GPIO基本結構中主要對GPIO內部的各個功能電路逐一的進行的分析； GPIO工作模式中主要介紹GPIO應用在不同的使用場景下，GPIO端口的靜態(tài)特征配置和動態(tài)的工作模式，同時對信號的工作流進行了分析。

這一篇主要對GPIO模塊使用到的寄存器進行詳細的分析介紹，適當了解GPIO寄存器的相關知識，可以對GPIO最底層的一些配置和工作原理有更好的認識，有助于加深對GPIO基本結構及工作模式的理解，同時對后續(xù)介紹到的GPIO在應用設計中有較好的幫助。

二、寄存器概述

圖1為STM32的GPIO模塊中寄存器的概述，總共有5種類型的寄存器。這里需要了解的是GPIO模塊的port和pin的概念。其中寄存器名稱中GPIOx的x表示不同的GPIO端口port，比如STM32芯片支持的port可以從A到I，GPIOA，GPIOB就表示了不同的端口； pin就是不同的port下支持的引腳，比如GPIOA下的引腳數從pin0到pin15。因此port就是pin的集合，不同的port都有它自己的如下圖列出來的寄存器。

圖1 GPIO寄存器概述

三、寄存器詳述

本節(jié)對寄存器位、寄存器偏移地址、復位值、寄存器功能定義進行介紹。可通過字節(jié)（8 位）、半字（16 位）或字（32 位）對 GPIO 寄存器進行訪問。

（1）端口模式寄存器GPIOx_MODER

本寄存器的功能為設置GPIO端口的方向和模式，總共0到32位，每兩位就是該port下的pin值，例如將GPIOA_MODER的MODER0[1:0]配置為00，就是將GPIOA的pin0管腳功能配置為輸入類型的管腳，將GPIOA_MODER的MODER1[1:0]配置為00，就是將GPIOA的pin1管腳功能配置為輸入類型的管腳，以此類推。

圖2 GPIOx_MODER寄存器定義

（2）端口輸出類型寄存器GPIOx_OTYPER

本寄存器設置GPIO端口的輸出類型，前提是該端口中的pin已經配置成輸出功能。該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對應的pin值，例如將GPIOA_OTYPER的OT0設置為1，就是將GPIOA的pin0管腳設置為輸出開漏的類型。

圖3 GPIOx_OTYPER寄存器定義

（3）端口輸出速度寄存器GPIOx_OSPEEDR

本寄存器設置GPIO的輸出速度頻率，前提是該端口中的pin已經應用作為輸出功能管腳。

這個速度是指輸出驅動電路的響應速度：（芯片內部在I/O口的輸出部分安排了多個響應速度不同的輸出驅動電路，用戶可以根據自己的需要選擇合適的驅動電路，通過選擇速度來選擇不同的輸出驅動模塊，達到最佳的噪聲控制和降低功耗的目的。可理解為輸出驅動電路的帶寬：即一個驅動電路可以不失真地通過信號的最大頻率。

速度高的IO耗電大、噪聲也大，速度低的IO耗電小、噪聲也小。使用合適的速度可以降低功耗和噪聲。高頻的驅動電路，噪聲也高，當不需要高的輸出頻率時，請選用低頻驅動電路，這樣非常有利于提高系統的EMI性能，也可以降低功耗。當然如果要輸出較高頻率的信號，但卻選用了較低頻率的速度，很可能會得到失真的輸出信號。關鍵是GPIO的引腳速度跟應用匹配。

比如：

①USART串口，若最大波特率只需115.2k，那用2M的速度就夠了，既省電也噪聲小。

②I2C 接口，若使用400k波特率，若想把余量留大些，可以選用10M的GPIO引腳速度。

③SPI接口，若使用18M或9M波特率，需要選用50M的GPIO的引腳速度。

當為該端口下寄存器值的pin配置為11時，輸出速度和電容C有關，這是指對于CMOS工藝的集成電路而言，輸入阻抗是非常高的，主要功耗來自于絕緣柵等效的電容充放電效應。既然是電容的充放電，考慮信號源的內阻（基于標準CMOS電路的輸出），根據RC充電常數和邏輯門限電平就能得出一個最小周期，其對應一個最高IO頻率。

圖4 GPIOx_OSPEEDR寄存器定義

（4）端口上拉/下拉寄存器GPIOx_PUPDR

該寄存器是配置端口對應的pin上是否需要配置芯片內部的上拉或者下拉電阻。

圖5 GPIOx_PUPDR寄存器定義

STM32芯片GPIO的上拉電阻和下拉電阻最小值，典型值和最大值如下：

（5）端口輸入數據寄存器 GPIOx_IDR

本寄存器讀取GPIO端口引腳的信號電平值。該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對應的pin值，例如GPIOA_OTYPER的IDR00值為1，就是此時讀到GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號。

圖6 GPIOx_IDR寄存器定義

（6）GPIO 端口輸出數據寄存器 GPIOx_ODR

本寄存器可以設置GPIO端口引腳的信號值。前提是該引腳為普通的IO輸出引腳。該寄存器只有0到15位有效，每一位就是對應的pin值，例如設置GPIOA_OTYPER的ODR0值為1，就是此時輸出GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號。

圖7 GPIOx_ODR寄存器定義

（7）GPIO 端口置位/復位寄存器GPIOx_BSRR

本寄存器可以通過寫入GPIOx_BSRR寄存器值，可以對GPIOx_ODR的對應位進行置位和復位。既然GPIOx_ODR 能控制管腳高低電平，為什么還需要GPIOx_BSRR寄存器？

原因是GPIOx_BSRR去改變管腳狀態(tài)的時候是原子操作置位/復位，沒有被中斷打斷的風險。也就不需要關閉中斷，關閉中斷明顯會延遲或丟失一事件的捕獲，所以控制GPIO的狀態(tài)最好可以用GPIOx_BSRR。

該寄存器的0到15位為置位功能，16到31位為復位功能。例如設置GPIOA_BSRR的BS0值為1，相當于輸出GPIOA的pin0管腳值為1高電平信號；設置GPIOA_BSRR的BR0值為1，相當于輸出GPIOA的pin0管腳值為0低電平信號。

圖8 GPIOx_BSRR寄存器定義

（8）GPIO 端口配置鎖定寄存器GPIOx_LCKR

本寄存器用于鎖定當前管腳的配置，可以保持管腳當前的狀態(tài)，保護管腳不受干擾，要使用該寄存器，需要先激活“鎖定”功能。當執(zhí)行正確的寫序列設置了位16(LCKK)時，鎖定功能被激活，LCKK位的寫序列為：寫1 -> 寫0 -> 寫1 -> 讀0 -> 讀1。最后一個讀可省略，但可以用來確認鎖鍵已被激活。被鎖定的管腳pin只有等到下次MCU復位才能被解鎖。

LCK0到LCK15為對應的pin0到pin15的鎖定配置，當需要鎖定對應的管腳pin時，在執(zhí)行LCKK寫序列操作時，將對應的LCK位寫1。

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圖9 GPIOx_LCKR寄存器定義

（9）GPIO 復用功能低位寄存器GPIOx_AFRL

本寄存器可以設置GPIO端口引腳的復用功能，比如將該引腳設置成USART或者SPI類型的功能管腳，本寄存器AFRL0 ~ AFRL7分別對應引腳pin0~pin7，每個引腳又有4位可選，因此一個引腳可以在16中復用功能中選擇，例如將GPIOA_AFRL的AFRL0[3:0]= 0001，就是將GPIOA的pin0管腳應用成第2種復用功能AF1。