STM32的輸入/輸出端口課堂教學方法探討

（洛陽師范學院信息技術學院 河南·洛陽 471934）

0 引言

輸入/輸出端口是STM32微控制器最基本的片上外設。I/O端口工作在輸入狀態時，既可接收數字信號，亦可接收模擬信號；I/O端口工作在輸出狀態時，根據程序的運行結果，輸出驅動外部負載工作。STM32的常規輸入/輸出 GPIO 具有浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入、模擬輸入、推挽輸出、開漏輸出、復用推挽輸出、復用開漏輸出8種工作模式，根據用戶需要進行編程設置。

STM32F103ZET6具有7組I/O端口，PA～PG，每組端口16位，共112個I/O口。這些端口大都具有多重功能，既可作為常規I/O端口，又可編程為其它功能，如EXTI引腳、ADC通道引腳、SPI引腳、FSMC引腳、USART引腳等。

1 輸入/輸出端口的結構

1.1 輸入/輸出端口的結構

輸入/輸出端口電路是可編程的，主要由保護電路、輸入驅動器、輸出驅動器、輸入數據寄存器和輸出數據寄存器等構成，如圖1所示。STM32F103ZET6具有112個這樣的 I/O端口電路。

保護電路中的兩個保護二極管，防止I/O引腳輸入過高、過低的電壓，燒毀芯片。因此I/O端口不能直接外接大功率器件。輸入驅動器(Inputdriver)由TTL施密特觸發器構成，相當于一個開關，把I/O端口的電平狀態通過觸發器送入輸入數據寄存器。

輸出驅動器(Output driver)由選擇器、輸出控制、含有PMOS管和N-MOS管的推挽結構電路組成，輸出控制的輸出是一對互補信號，推挽結構電路由互補信號控制，工作時兩個管只有一個導通，功耗低。輸出數據寄存器輸出高電平時，控制輸出亦為高電平，此時P-MOS管導通、N-MOS管截止，I/O端口輸出高電平；輸出數據寄存器輸出低電平時，控制輸出亦為低電平，那么P-MOS管截止、N-MOS管導通，I/O端口輸出低電平。I/0端口輸出的狀態即是輸出數據寄存器的狀態。

1.2 輸入/輸出端口的工作模式

輸入工作模式有浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入、模擬輸入4種。浮空輸入時，引腳內部什么也不用接，I/O的端口狀態取決于用于外部信號；上拉輸入時，上拉開關閉合，將不確定的信號通過內部電阻上拉到高電平，適用于輸入信號為低電平有效的情況；下拉輸入時，下拉開關閉合，將不確定的信號通過內部電阻接GND，適用于輸入信號為高電平有效的情況；模擬輸入時，把連續的模擬信號直接引入，常用于AD轉換。注意，輸入模式下，輸出驅動器不工作，相當于斷開。

圖1：可編程I/O端口電路的基本結構

圖2：端口配置低寄存器的設置位

圖3：重映射和調試I/O配置寄存器的設置位

輸出工作模式有推挽輸出、開漏輸出、復用推挽輸出和復用開漏輸出4種。推挽輸出時，可以輸出高/低電平，處理的是數字信號，輸出高電平時，P-MOS管導通，N-MOS管截止，I/O端口聯通VDD，輸出低電平時，N-MOS管導通，P-MOS管截止，I/O端口聯通VSS；開漏輸出時，P-MOS管是關閉狀態，無法直接輸出高電平，需要外接上拉電阻，輸出電壓由上拉電阻連接的電源決定，輸出低電平時，和推挽輸出一樣，I/O端口聯通VSS，因此開漏輸出模式適用于匹配電平的工況；復用推挽輸出和復用開漏輸出用于其它片內外設。注意，輸出模式下，輸入驅動器工作，開關閉合，可讀取I/O端口的狀態。

2 輸入/輸出端口的寄存器設置

2.1 GPIO寄存器的設置

GPIO是常規輸入/輸出端口，STM32F103ZET6有7組16位的GPIO，通過對GPIO寄存器編程，設置每個端口的工作模式。GPIO寄存器包括端口配置低寄存器(GPIOX_CRL)、端口配置高寄存器 (GPIOX_CRH)、輸入數據寄存器 (GPIOX_IDR)、輸出數據寄存器(GPIOX_ODR)、端口位設置/清除寄存器(GPIOX_BSRR)、端口位清除寄存器(GPIOX_BRR)、端口配置鎖定寄存器(GPIOX_LCKR)，均為32位寄存器(有的帶保留位)，所有x的范圍為(A～G)，A～G標識的是分組號。例如，GBIOB_CRL是B組的GPIO端口配置低寄存器，GPIOC_CRL是C組GPIO的端口配置低寄存器。

端口配置低寄存器(GPIOX_CRL)用于設置各組GPIO低8位端口的工作模式，寄存器的各設置位如圖2所示，每位均可讀寫，每4位設置1位端口，其中低兩位設置輸入或輸出（00表示輸入模式，也是復位后的值；01表示輸出模式，最大速度10MHZ；10表示輸出模式，最大速度2MHZ；11表示輸出模式，最大速度50MHZ），高兩位設置具體工作模式（輸入模式時，00表示模擬輸入，01表示浮空輸入，也是復位后的值，10表示上拉/下拉輸入，聯合設置輸出數據寄存器ODR，區分上拉和下拉，11為保留；輸出模式時，00表示通用推挽輸出，01表示通用開漏輸出，10表示復用推挽輸出，11表示復用開漏輸出）。例如，當設置GPIOA5為通用推挽輸出模式時，GPIOA的端口配置低寄存器的內容可以設置為0x4424 4444。

端口配置高寄存器(GPIOX_CRH)用于設置各組GPIO高8位端口的工作模式，同GPIOX_CRL設置一樣，不再贅述。輸入數據寄存器(GPIOX_IDR)，只讀屬性，高16位保留，16位形式讀出，讀出的值為對應I/O端口的狀態。輸出數據寄存器(GPIOX_ODR)，讀/寫屬性，高 16 位保留，16 位形式讀/寫，可以對各位清零或置1，那么對應的I/O端口便可以輸出高電平或低電平。端口位設置/清除寄存器、端口位清除寄存器是用于為輸出數據寄存器ODR的對應位清零或置1，不再贅述。端口配置鎖定寄存器用來鎖定端口位的配置，當對應的端口位鎖定后，在下次系統復位之前不能再更改端口位的配置。

2.2 AFIO寄存器的設置

具有復用功能的I/O端口，其復用功能需要重新配置。例如，配置某個I/O端口為ADC的通道，這個I/O端口不能再作為GPIO使用，這個過程叫做復用重映射。復用重映射的過程是設置重映射和調試I/O配置寄存器（AFIO_MAPR），寄存器的各設置位如圖3所示。

3 輸入/輸出端口的應用舉例

利用輸入/輸出端口可實現一些信號控制，例如，STM32外接了按鍵電路和LED指示燈電路，控制要求如下：當按下S1按鍵時，讓LED1和LED3燈閃爍，按下S2按鍵時LED1和LED3燈關閉；當按下S3按鍵時，讓LED2和LED4燈閃爍，按下S4按鍵時LED2和LED4燈關閉。按鍵電路如圖4所示，LED指示燈電路如圖5所示。

圖4 LED指示燈電路

圖5：按鍵電路

圖4中的4個LED為共陽極接法，另一端分別接了I/O端口B組的PB5口、E組的PE5口、A組的PA5和PA6，當這些端口輸出低電平時，對應的LED指示燈亮，反之LED指示燈不亮。根據外接指示燈電路分析，這4個I/O端口的工作模式應設置為通用推挽輸出。

圖5中的4個按鍵開關分別接了I/O端口A組的PA0口和 E 組的 PE2、PE3、PE4口，其中 S1、S2、S3 是低電平信號有效，無信號時為高電平，而S4是高電平信號有效，無信號時為低電平。根據外接按鍵電路分析，這4個I/O端口的工作模式應設置為浮空輸入。

LED指示燈對應I/O端口的設置（初始化）如下：

4個按鍵對應I/O端口的設置（初始化）如下：

以上代碼中RCC、GPIOA、GPIOB、GPIOE被定義為結構體類型指針，對它們的各寄存器地址進行了描述，并且對相應的寄存器進行了設置，按照要求實現了浮空輸入和通用推挽輸出的設置。

4 小結

對于STM32的輸入/輸出端口設置，應先了解I/O端口的電路結構和工作模式，之后按使用要求對GPIO和AFIO寄存器進行合理配置，通過I/O端口使用的例子進一步掌握輸入/輸出端口的使用。