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STM32---GPIO

news 来源：原创 2025/4/22 8:03:03

一、GPIO原理图

二、操作BSRR/BRR寄存器保证原子性

1. I/O端口位的编程和访问限制

2. GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器的作用

3. IRQ不会发生危险的含义

4. 具体例子

5. 总结

三、C++封装标准库的GPIO示例

在学习STM32的时候，我们最开始学习的就是控制GPIO成为点灯大师。本文将基于STM32系统结构图，解读GPIO的电路结构与工作模式，帮助初学者快速掌握STM32的GPIO控制核心基础。并使用C++进行封装，提高代码的可读性、可移植性。

一、GPIO原理图

在芯片手册中有一个描述了GPIO的电路图，通过对电路图的不同配置可以配置成不同的模式。

下面我们根据这个原理图分析一下各个电路模块有什么作用

VDD/VSS保护二极管：

位于 GPIO 引脚的上下两端，用于防止引脚外部过高或过低的电压输入。当引脚电压高于芯片供电电压（VDD）时，上方的二极管导通，将多余的电流引导到电源；当引脚电压低于地电位（VSS）时，下方的二极管导通，将电流引导到地，从而保护芯片免受损坏。

P-MOS 管和 N-MOS 管：

组成推挽输出电路的核心部分。在推挽输出模式下，当输出高电平时，P-MOS 管导通，N-MOS 管截止，引脚输出高电平；当输出低电平时，P-MOS 管截止，N-MOS 管导通，引脚输出低电平。推挽输出模式具有输出电流能力强、负载能力大等优点，适用于驱动外部负载。

不过单片机的P-MOS通常设置为弱上拉，主要是为了平衡驱动能力与功耗。让单片机既能生成高电平防止浮空状态的干扰，又能有效降低功耗。如果真的需要大电流的上拉功能，可以自行在芯片外部接一个上拉电阻或者驱动增强模块，一般情况下，这个弱上拉只是用做控制信号，而并非直接驱动。

施密特触发器：

图中写的是TTL肖特基触发器，可能是翻译的时候出问题了，实际上是叫做施密特触发器。它具有稳压和滤波的作用，能够将输入的模拟信号转换为稳定的数字信号。在输入模式下，施密特触发器可以过滤掉输入信号中的噪声干扰，确保输入电平的稳定性。

二、操作BSRR/BRR寄存器保证原子性

使用手册中有这样一句话：每个I/O端口位可以自由编程，然而必须按照32位字访问I/O端口寄存器(不允许半字或字节访问)。GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器进行读/更改的独立访问；这样，在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。

如何理解

1. I/O端口位的编程和访问限制

每个I/O端口位可以自由编程：
- 这意味着GPIO的每个引脚（位）都可以独立设置为输入或输出，并且可以单独控制其状态（高电平或低电平）。
必须按照32位字访问I/O端口寄存器：
- GPIO寄存器通常是一个32位的寄存器，访问时必须以32位为单位进行操作。尽管每个位都可以单独控制，但是必须要先记录所有位，然后统一写回操作。
- 不允许半字（16位）或字节（8位）访问：
  - 如果尝试以16位或8位的方式访问这些寄存器，可能会导致未定义的行为或硬件错误。

2. `GPIOx_BSRR`和`GPIOx_BRR`寄存器的作用

GPIOx_BSRR（端口位设置/复位寄存器）：
- 这是一个特殊的寄存器，允许同时设置（置1）或复位（清0）GPIO引脚的状态，而无需读取或修改其他引脚的状态。
- 通过写入不同的位，可以独立地设置或复位某个引脚，而不会影响其他引脚。
GPIOx_BRR（端口位复位寄存器）：
- 类似于BSRR，但专门用于复位（清0）GPIO引脚的状态。
- 在某些微控制器中，GPIOx_BRR可能被整合到GPIOx_BSRR中，通过特定的位操作实现复位功能。
独立访问：
- GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR的设计允许对GPIO寄存器进行独立的读/更改操作，而不需要先读取整个寄存器的值，修改后再写回。
- 这种设计避免了在多任务或中断环境下可能出现的竞争条件（Race Condition）或数据不一致问题。

3. IRQ不会发生危险的含义

IRQ（中断请求）：
- 当一个中断发生时，CPU会暂停当前任务，转而执行中断服务程序（ISR）。在ISR执行期间，如果其他任务或中断试图访问同一个GPIO寄存器，可能会导致数据竞争或不一致。
避免危险：
- 使用GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器时，由于它们是独立访问的，不会读取或修改其他引脚的状态，因此即使在中断发生时，也不会影响其他引脚的状态。
- 这种设计减少了因中断导致的潜在错误，确保了系统的稳定性和可靠性。

4. 具体例子

假设你正在修改某个GPIO引脚的状态（如设置高电平或低电平），以下操作可能导致问题：

传统方式：先读取当前状态，修改后再写回，可能导致数据竞争或冲突。
**使用GPIOx_BSRR或GPIOx_BRR直接修改寄存器值，可能导致其他任务（如显示控制）被中断或覆盖。
使用GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR：
- GPIOx_BSRR通过位操作直接修改寄存器值，不会影响其他引脚。
- GPIOx_BRR通过位清除操作实现复位，但可能覆盖其他位。

5. 总结

核心优势：
- GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器的设计允许对GPIO引脚进行独立、安全的操作，避免了在多任务或中断环境下的数据竞争问题。
应用场景：
- 在实时性要求高的场景（如电机控制、传感器数据采集）中，这种设计可以确保在中断发生时，不会因为数据竞争或覆盖问题导致系统错误。

通过这种方式，系统能够在高并发或中断环境下稳定运行，确保GPIO操作的原子性和一致性。

三、C++封装标准库的GPIO示例

#pragma once
#include "stm32f10x.h" #include "stm32f10x_gpio.h"         //GPIO模块
#include "stm32f10x_rcc.h"          //RCC时钟控制模块 class GPIO_Base 
{
private:GPIO_TypeDef* port;    // GPIO端口，如GPIOA, GPIOB等uint16_t pin;          // GPIO引脚号，如GPIO_Pin_0, GPIO_Pin_1等public:// 构造函数GPIO_Base(GPIO_TypeDef* gpioPort, uint16_t gpioPin): port(gpioPort), pin(gpioPin) {}// 初始化GPIO引脚（假设为输出模式）void initAsOutput(uint32_t speed = GPIO_Speed_50MHz) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;// 使能GPIO时钟（根据你的具体端口选择）if (port == GPIOA) {RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);} else if (port == GPIOB) {RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);}// 可以根据需要添加更多端口的时钟使能// 配置GPIO引脚GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pin;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  // 推挽输出模式GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = (GPIOSpeed_TypeDef)speed;GPIO_Init(port, &GPIO_InitStruct);}// 初始化GPIO引脚（假设为输入模式）void initAsInput(GPIOMode_TypeDef mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;// 使能GPIO时钟（根据你的具体端口选择）if (port == GPIOA) {RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);} else if (port == GPIOB) {RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);}// 可以根据需要添加更多端口的时钟使能// 配置GPIO引脚GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = pin;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = mode;  // 输入模式GPIO_Init(port, &GPIO_InitStruct);}// 设置引脚为高电平void setHigh() {GPIO_SetBits(port, pin);}// 设置引脚为低电平void setLow() {GPIO_ResetBits(port, pin);}// 读取引脚状态bool read() {return GPIO_ReadInputDataBit(port, pin);}
};

#include"GPIO_Base.h"// 示例用法
int main(void) 
{// 初始化系统时钟等（这里省略）//通常不需要手动配置，stm32f10x系列默认是在启动文件中配置好了72MHz// 创建一个GPIO_Base对象，假设使用GPIOA的Pin5GPIO_Base led(GPIOA, GPIO_Pin_5);// 初始化引脚为输出led.initAsOutput();while (1) {// 设置引脚为高电平led.setHigh();// 延时（这里省略具体的延时实现）for (volatile int i = 0; i < 500000; i++); // 简单延时// 设置引脚为低电平led.setLow();// 延时（这里省略具体的延时实现）for (volatile int i = 0; i < 500000; i++); // 简单延时}
}