(菜鳥筆記)STM32配置GPIO時對內部硬件的‘開與關’

ID:104497 · 發表于 2021-2-7 11:02

說心里話，STM32 GPIO的配置操作并不比51單片機復雜多少，但不同的應用場景可能會涉及到需要了解IO配置過程中更深入的細節，比方說內部施密特觸發器的通斷到底如何控制，復用信號又是如何送到IO口上的，等等。
這些操作在手冊上都說到了，但個人覺得這些知識點比較分散，不利于初學者掌握其中的細微之處，所以我想把GPIO配置的控制邏輯梳理了一下，看看寄存器哪些位的哪些配置值都干了哪些事兒，‘接通’或‘斷開’了內部的哪些硬件。
下圖是GPIO基本結構圖。
為清晰表達出內部構件被使能或禁能，我使用了‘開關’概念，當然，實際它們不會真的是一些硬件開關，而是為了表達邏輯1、0狀態。
圖7.jpg

1、通用輸入模式配置（以PA3為例）
圖8.jpg

將PA3配置成輸入模式的前提是GPIOA_CRL的MODE3[1：0]＝00。
如果想把它配置成模擬輸入用于ADC，那就在GPIOA_CRL的CNF3[1：0]寫入00。
因為STM32F沒有復用輸入模式，所以要想把它配置成復用輸入USART2_RX，要么是讓CNF3[1：0]＝01使PA3成為浮空輸入模式；要么是讓CNF3[1：0]＝10配置成內部弱上拉輸入模式，但必須在此前加上一條對GPIOA_ODR的ODR3＝1的操作。
這是一個很有趣也很費解的操作，既然是配置輸入，怎么又跟輸出寄存器扯上關系了呢？請看手冊上的說明：
圖9.jpg

既然配置成輸入時輸出緩沖器已經被關閉，那么ODR3的寫1操作就一定不是指向末端的PMOS和NMOS管。肯定有一個內部邏輯，使ODR3關聯到上拉及下拉電阻開關。至于這個邏輯到底是個啥樣的硬件，官方沒說，咱們也不好意細問。知道有這么回事兒，別在配置上下拉輸入時出現錯誤就行了。
如果PA3配置成了復用輸入USART2_RX，讀GPIOA_IDR的IDR3是允許的，而且讀回來的就是PA3當前的邏輯狀態，因為APB2的時鐘會采樣PA3，除了送到USART2模塊的RX以外，還鎖存到GPIOA_IDR的IDR3上。此時要閑著沒事兒非得讀一下GPIOA_ODR的ODR3，操作上也是允許的，但似乎也沒啥實際意義，因為讀回去的位狀態是之前對ODR3的最后一次寫入值。
如果PA3配置成了模擬輸入，施密特觸發器就會被斷開，讀IDR3就不再是PA3的數據了。
2、通用輸出模式配置（以PA2為例）
圖10.jpg

將PA2配置成輸出模式的前提是GPIOA_CRL的MODE2[1：0]＝01、10或11。
由于在輸出模式下施密特觸發器一直是被打開的，每個APB2時鐘也像輸入模式一樣把PA2鎖存到GPIOA_IDR的IDR2，所以此時讀GPIOA_IDR能夠返回PA2當前的輸出邏輯狀態，但這可不是說此時PA2又可以當成輸入口使用，尤其是處于推挽輸出模式下，PA2外面的信號是進不來的。在開漏模式下，倒是可以把PA2當成輸入，這一點在下面會有描述。
還有一點值得注意，如果想把PA2配置成USART2_TX，那就必須將它配置成復用推挽或復用開漏輸出模式，千萬不能讓CNF2[1：0]＝00（通用推挽）或01（通用開漏），否則USART2_TX送不到PA2上，因為這個時候‘復用/通用切換開關’是指向GPIOA_ODR的ODR2位而不是指向USART2_TX。
3、輸入輸出模式配置（以PB11為例）
有的時候需要將某個引腳當成IO口使用，比方說用PB11模擬I2C的SDA口線。
請注意，這里說的是‘模擬’SDA，而不是把PB11配置成復用的I2C2 SDA口。
咱們都知道，SDA線上必須外加上拉電阻，到底是為啥就不多說了。
作為模擬的SDA，有一繁一簡兩個方法：需要PB11送數就把它配置成通用輸出模式，回頭又需要它收數了再配置成輸入模式，在理論上這種方式是可行的，但切來切去的也真夠麻煩。
簡單的方法就是把PB11配置成通用開漏輸出模式，輸出時自不必說，當輸入時只要先在ODR11寫個1就行了。
圖11.jpg

此時PB11是通用開漏模式，輸出端的PMOS被禁用，在ODR11上寫1并不能打開這個MOS管，而NMOS的驅動邏輯是0，所以這個MOS管也會被斷開。但由于此時施密特觸發器是接通的，所以引腳上的信號會被APB2時鐘采樣和鎖存，讀取IDR11就可以獲取PB11的輸入數據。這種在端口鎖存上寫1變輸入的方式與51單片機準輸入IO口的操作是一樣的。
上面說的是模擬I2C，如果是直接啟用復用功能那就不用這么麻煩了，人家早就把相關的邏輯操作搞得妥妥的了。按照手冊上的說明，只需將PB11配置成復用開漏就一切OK。

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(菜鳥筆記)STM32配置GPIO時對內部硬件的‘開與關’

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