GPIO

ARM

在 GD32 系列微控制器中，GPIO（General Purpose Input/Output）通用输入/输出引脚模块，允许控制和监测外部设备。

GD32 的 GPIO 是由多个端口组成的，每个端口有多个引脚，每个引脚都可以独立配置。通常命名为 GPIOA，GPIOB，GPIOC 等，表示不同的 GPIO 端口，每个端口中的引脚则表示为 GPIO_PIN_x（例如 GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_1）。

GPIO 架构

CPU 通过总线访问 GPIO 寄存器，通过寄存器设置指令传递到控制器，控制器根据寄存器的配置去操控各个 GPIO 端口的引脚（如 PA0、PA1、PF0 等），从而实现引脚的输入输出控制和模式配置。

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GPIO 的工作模式

在嵌入式系统的 GPIO 中，常见的三种工作模式是：推挽输出模式、开漏输出模式和高阻抗模式。每种模式在特定的应用场景下都能发挥不同的作用。

推挽输出

  • 推挽模式通过两个晶体管（一个与 Vcc 连接，一个与 GND 连接）实现输出。

  • 当 GPIO 输出为高电平时，连接 Vcc 的晶体管导通，连接 GND 的晶体管关闭，使引脚输出高电平；当输出为低电平时，连接 GND 的晶体管导通，连接 Vcc 的晶体管关闭，使引脚输出低电平。

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开漏输出

  • 当输出为低电平时，晶体管导通，GPIO 引脚被拉低至 GND。

  • 当输出为高电平时，晶体管断开，电路断开，依赖外部上拉电阻将引脚拉至高电平。

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高阻输入

  • 在高阻抗模式下，GPIO 引脚既不连接 Vcc，也不连接 GND，而是保持“开放”状态，像一个高电阻。

  • 该模式下，GPIO 引脚的输入电压可以被检测，但引脚自身不消耗电流。

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GPIO 输出线与

推挽线与（禁止）

在推挽输出中，如果两个引脚分别处于高电平和低电平，直接线与会导致高电平（Vcc）与低电平（地）相连，形成短路，这可能会损坏微控制器或连接的设备。

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开漏模式可以在高电平时输出逻辑 1，但由于电流路径、上升时间和阻抗匹配等因素，开漏模式的响应速度通常慢于推挽模式。这使得推挽输出在需要快速切换的应用中更加有效。

GPIO 输入模式

GPIO 的输入模式通常包括浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入四种基本类型，每种模式适用于不同的应用场景：

浮空输入

  • 特点：引脚不连接任何电压源，输入状态未定义。

  • 应用：适用于不需要任何外部信号的场景，但可能受到电磁干扰，导致输入状态不稳定。

  • 注意：在这种模式下，建议避免直接使用，因为引脚的状态可能会因为噪声而波动。

上拉输入

  • 特点：通过内置电阻将引脚连接到 Vcc（高电平），当未连接外部信号时，输入状态为高电平。

  • 应用：常用于按钮开关，确保在未按下时输入为高电平，按下时输入为低电平。

  • 优点：能够有效防止浮空输入带来的干扰，确保输入状态稳定。

下拉输入

  • 特点：通过内置电阻将引脚连接到地（低电平），当未连接外部信号时，输入状态为低电平。

  • 应用：同样用于按钮开关，当按钮未按下时输入为低电平，按下时输入为高电平。

  • 优点：与上拉输入类似，可以有效防止输入状态不稳定。

模拟输入

  • 特点：引脚可以读取连续的电压值，而不是简单的高低电平。

  • 应用：用于传感器输入（如温度传感器、光敏电阻等），可以提供更丰富的信息。

  • 优点：能够获取更细腻的变化，适合需要高精度读数的应用。

ARM 系列的 GPIO

引脚内部结构框图

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GD32/STM32 系列中 GPIO 的工作模式

浮空输入

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上拉输入

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下拉输入

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模拟输入

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推挽输出

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开漏输出

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复用推挽输出

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复用开漏输出

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GPIO 实现

功能：通过按键控制LED灯

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#include "gd32f4xx.h"
#include "gd32f4xx_gpio.h"
#include "gd32f4xx_rcu.h"
#include "systick.h"
#include <stdio.h>
#include "main.h"

// GPIO_LED
void GPIO_LED_Config(void) {

    // 使能GPIOB外部时钟
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
    // 设置工作模式GPIO_MODE_OUTPUT
    gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_2);
     // 配置输出选项
    gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_2MHZ, GPIO_PIN_2);
}

// GPIO_Key
void GPIO_KEY_Config(void) {
    // 设置GPIOC外部时钟
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOC);
    // 设置工作模式
    gpio_mode_set(GPIOC, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_0);
   
}

int main(void) {

    systick_config();
    GPIO_KEY_Config();
    GPIO_LED_Config();

    FlagStatus KeyFllag =  gpio_input_bit_get(GPIOC, GPIO_PIN_0);
    
    while(1) {
        FlagStatus ThisKeyFllag =  gpio_input_bit_get(GPIOC, GPIO_PIN_0);
        if(KeyFllag == 1 && ThisKeyFllag == 0) {
            // 按下
            KeyFllag = 0;
            gpio_bit_set(GPIOB, GPIO_PIN_2);
            delay_1ms(1000);
        } else if (KeyFllag == 0 && ThisKeyFllag == 1) {
            // 松开
            KeyFllag = 1;
            gpio_bit_reset(GPIOB, GPIO_PIN_2);
            delay_1ms(1000);
        }
    }
}

步骤：

  1. 查看板子原理图，找到使用的引脚是哪一个，外部有无上/下拉电阻；这样方便确定输入或者输出的工作模式。
  • 开启外部时钟
  • 选择GPIO的工作模式
  • 如果是输出要配置输出模式，复用要配置并指定复用的功能是哪一个;

问题

一、GPIO 的默认初始

在 ARM32 中，GPIO 引脚的默认电平状态总结如下：

  1. 输出模式：
    • 引脚配置为输出模式时，默认电平为低电平（0）。
    • 即使设置了上拉模式，电平仍为低，因为引脚输出的是寄存器的值，而寄存器的初始值为 0，除非在代码中手动设置为高电平。
    • 当 GPIO 引脚配置为输出引脚，输出寄存器（GPIOx_OCTL）的值将会从相应 I/O 引脚上输出。端口输出控制寄存器（GPIOx_OCTL）复位初值为：0x0000 0000
  2. 输入模式：
    • 引脚配置为输入模式时，默认电平取决于上拉或下拉配置：
      • 上拉（Pull-up）：默认电平为高电平。
      • 下拉（Pull-down）：默认电平为低电平。
      • 浮空（No Pull）：引脚未连接上拉或下拉，电平浮动，容易受到噪声影响。
    • 当 GPIO 引脚配置为输入引脚时，所有的 GPIO 引 脚内部都有一个可选择的弱上拉和弱下拉电阻。外部引脚上的数据在每个 AHB 时钟周期时都 会装载到数据输入寄存器（GPIOx_ISTAT）。端口输入状态寄存器（GPIOx_ISTAT）复位初值为 0x0000 XXXX