ch04实验3-GPIO 与流水灯

实验3——GPIO与流水灯卓越工程师培养系列本书获深圳大学教材出版资助STM32F1开发标准教程01实验内容实验内容以及GPIO功能框图、寄存器和固件库函数,基于STM32核心板设计一个流水灯程序,使得STM32核心板上的两个LED(LED1和LED2)交替闪烁，每个LED的点亮时间和熄灭时间均为500ms。通过学习LED电路原理图、STM32系统架构与存储器组织02实验原理1.LED电路原理图GPIO与流水灯实验涉及的硬件包括两个位于STM32核心板上的LED(LED1和LED2)以及分别与LED1和LED2串联的限流电阻R20和R21，LED1通过3302电阻连接到STM32F103RCT6芯片的PC4引脚，LED2通过3302电阻连接到STM32F103RCT6芯片的PC5引脚，如图4-1所示。PC4为高电平时，LED1点亮，PC4为低电平时，LEDI熄灭;同样，PC5为高电平时，LED2点亮，PC5为低电平时，LED2熄灭。2.STM32系统架构与存储器组织STM32由4个驱动单元和4个被动单元组成4个驱动单元分别是Cortex-M3内核DCode总线、System总线和通用DMA1/DMA2,4个被动单元分别是内部Flash内部SRAM、FSMC和AHB到APB的桥(AHB2APBx。STM32系统框图如图4-2所示。1.STM32系统架构2.STM32系统架构与存储器组织Cortex-M3只有一个单一固定的存储器映射，这一点极大地方便了软件在各种以Cortex-M3为内核的微控制器间的移植。举一个简单的例子，各款基于Cortex-M3内核的微控制器的NVIC和MPU都在相同的位置布设寄存器。尽管如此，Cortex-M3的存储器规定依然是粗线条的，它允许芯片制造商灵活地分配存储器空间，以制造出各具特色的微控制器产品。Cortex-M3的地址空间是4GB，由代码区、片上SRAM区、片上外设区、片外RAM区、片外外设区、内部私有外设总线区、外部私有外设总线区和芯片供应商定义区组成，如图4-3所示。2.STM32存储器映射2.STM32系统架构与存储器组织Cortex-M3代码区的大小是512MB，主要用于存放程序，这个区通过指令总线来访问。STM32的代码区的起始地址为0x08000000，该地址实际上就是内部Flash主存储块的起始地址，STM32核心板上的STM32F103RCT6芯片的内部Flash容量为256KB。Cortex-M3片上SRAM区的大小也是512MB，是用于让芯片制造商映射到片上SRAM的，这个区通过系统总线来访问。STM32片上SRAM区的起始地址为0x20000000，STM32核心板上的STM32F103RCT6芯片的内部SRAM容量为48KB。2.STM32存储器映射2.STM32系统架构与存储器组织Cortex-M3片上外设区的大小同样是512MBSTM32的片上外设地址范围为0x40000000~0x5003FFFF，该片区对应着STM32片上外设寄存器。Cortex-M3片外RAM区和片外外设区的大小都为1GB。如果片内SRAM不够用，就需要在片外增加RAM，这个新增的RAM地址必须在0x60000000~0x9FFFFFFF区间，同样片外外设的地址也必须在0xA0000000~0XDFFFFFFF区间。Cortex-M3私有外设总线分为内部私有外设总线(也称为AHB私有外设总线)和外部私有外设总线(也称为APB私有外设总线)，其中，AHB私有外设包括NVIC、FPB、DWT和ITM，APB私有外设包括ROM表、外部PPB、ETM和TPIU。2.STM32存储器映射2.STM32系统架构与存储器组织STM32片上外设包括ADC1、ADC2、USART1、USART2、USART3、UART4、UART5SPI1、SPI2/I2S、SPI3/2S、GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG、TIM1、TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、TIM6、TIM7、TIM8、EXTI、AFIO、DAC、PWR、BKP、CAN1CAN2、I2C1、I2C2、IWDG、WWDG和RTC。然而，本书涉及的外设仅有ADC1、USART1、USART2、GPIOA、GPIOB、GPIOC、TIM2、TIM3、TIM4、TIM5、EXTI、AFIO、DAC和IWDG，因此，表4-1仅列出本书涉及的片上外设寄存器组起始地址。3STM32部分片上外设寄存器组起始地址3.GPIO功能框图如输入或输出，所以又被称为GPIO(GeneralPurposeInputOutput,通用输入/输出)而GPIO又被分为GPIOA、GPIOBGPIOC、GPIODGPIOE、GPIOF和GPIOG共7组，每组端口又分为0~15共计16个不同的引脚。对于不同型号的STM32芯片，端口的组数和引脚数不尽相同，读者可以参考相应芯片的数据手册。可以通过GPIO寄存器将STM32的GPIO配置成8种模式这8种模式又分为4种输入模式和4种输出模式。4种输入模式分别为输入浮空、输入上拉、输入下拉和模拟输入，4种输出模式分别为开漏输出、推挽式输出、推挽式复用功能和开漏复用功能。STM32的I/0引脚可以通过寄存器配置为各种不同的功能3.GPIO功能框图图4-4所示的GPIO功能框图是为了便于分析GPIO与流水灯实验。在本实验中，两个LED引脚对应的GPIO配置为推挽输出模式，因此，下面依次介绍输出相关寄存器、输出驱动器和I/0引脚及保护二极管。3.GPIO功能框图输出相关数据寄存器包括端口位设置/清除寄存器(GPIOxBSRR)和端口输出数据寄器(GPIOxODR)。可以通过更改GPIOxODR中的值，达到更改GPIO引脚电平的目的。然而，写GPIOxODR是一次性更改16个引脚的电平，这样就很容易把一些不需要更改的引脚电平更改为非预期值。为了准确修改某一个或某几个引脚的电平,比如要将GPIOXODR0更改为1，将GPIOxODR[14]更改为0可以先读GPIOXODR的值到一个临时变量地址(temp)，然后再将temp[0]更改为1，将temp[14]更改为0最后将temp写入GPIOxODR如图4-5所示。1.输出相关寄存器3.GPIO功能框图然而，这种“读-改-写”方式不仅效率低，而且操作繁杂，为了简化操作，提升效率，STM32新增了端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)该存器由16位端口清除位(对应16个引脚，向某一位写入1即可设置GPIOx_ODR对应位为0向某一位写入0GPIOx_ODR对应位不受影响)和16位端口设置位(对应16个引脚向某一位写入1即可设置GPIOX_ODR对应位为1，向某一位写入0，GPIOX_ODR对应位不受影响)组成。同样是将GPIOX_ODR的值由1110001010100010更改为1010001010100011,实际上是将GPIO_ODRO]从0更改为1将GPIOxODRI141从1改为0了GPIOx_BSRR，就只需要GPIOx_BSRR写入01000000000000000000000000000001即可。GPIOxBSRR30为1表示将GPIOx_ODRT14]从1更改为0，GPIOx_BSRR[0]为1表示将GPIOX_ODR0从0更改为1GPIOx_BSRR的其他位为0表示不需要更改其他GPIOx_ODR对应位的值。1.输出相关寄存器3.GPIO功能框图通过GPIOx_BSRR修改GPIOX_ODR的过程如图4-6所示。1.输出相关寄存器3.GPIO功能框图输出驱动器既可以配置为推挽模式，也可以配置为开漏模式。本实验的两个LED均配置为推挽模式，下面对推挽模式的工作机理进行讲解。当输出驱动器的输出控制端为高电平时，经过反向，上方的P-MOS管导通，下方的N-MOS管关闭，I/0引脚对外输出高电平，当输出驱动器的输出控制端为低电平时，经过反向，上方的P-MOS管关闭，下方的N-MOS管导通I/0引脚对外输出低电平。当I/0引脚高、低电平切换时，两个MOS管轮流导通，P-MOS管负责灌电流，N-MOS管负责拉电流使其负载能力和开关速度均比普通方式有较大的提高。推挽输出的低电平大约为0V，高电平大约为3.3V。2.输出驱动器3.GPIO功能框图与I/O引脚相连接的两个二极管称为保护二极管，用于防止引脚过高或过低的外部电压输入。当引脚的外部电压高于VDD时，上方的二极管导通，当引脚电压低于VSS时，下方的二极管导通，从而可以防止不正常的电压引入芯片导致芯片烧毁。3.I/0引脚及保护二极管4.GPIO部分寄存器STM32的GPIO寄存器地址映射和复位值如表4-2所示每个GPIO端口有7个存器,本实验涉及的GPIO寄存器包括2个32位端口配置存器(GPIOx_CRL，GPIOx_CRH)1个32位端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR)、1个32位端口位设置/清除寄存器(GPIOx_BSRR)1个32位端口位清除寄存器(GPIOx_BRR)。4.GPIO部分寄存器4.23节已经介绍了STM32的GPIO可以通过存器配置成8种模式每个GPIO端口具体是通过CNFT1:01和MODEF1:01配置为8种模式中的一种的，如表4-3所示。1.端口配置寄存器(GPIOXCRL和GPIOXCRH)4.GPIO部分寄存器STM32的每组GPIO端口有16个引脚，比如GPIOA有GPIOA0~15共16个引脚而每个引脚都需要4bit(分别是CNF[1:01和MODE[1:01)进行输入/输出模式及输出速率的配置因此，每组GPIO端口就需要有64bit。作为32位微控制器，STM32安排了两组寄存器，分别是端口配置低寄存(GPIOxCRL)和端口配置高存器(GPIOxCRH)分别如图4-7和图4-8所示。GPIOxCRL常常简称为CRL，GPIOXCRH常常简称为CRH。1.端口配置寄存器(GPIOXCRL和GPIOXCRH)4.GPIO部分寄存器大家可能会问:为什么图4-7和图4-8只标注了偏移地址，而没有标注绝对地址?因为STM32最多有7组GPIO端口，即GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE、GPIOF和GPIOG(又称PA、PB、PC、PD、PE、PF和PG)。如果标注绝对地址，就需要将每组端口的CRL和CRH全部罗列出来，既没有意义，也没有必要。通过偏移地址计算绝对地址也非常简单，比如，要计算GPIOC端口CRH的绝对地址。可以先查看GPIOC的起始地址，从图4-9可以确定GPIOC的起始地址为0x40011000,CRH的偏移地址为0x04,因此GPIOC的CRH的绝对地址通过计算，即0x40011000+0x04，就可以得出为0x40011004。1.端口配置寄存器(GPIOXCRL和GPIOXCRH)4.GPIO部分寄存器又比如要计算GPIOD端口ODR的绝对地址可以先查看GPIOD的起始地址从图4-9可以确定GPIOD的起始地址为0x40011400，ODR的偏移地址为0x0C，因此，GPIOD的ODR的绝对地址通过计算，即0x40011400+0x0C，就可以得出为0x4001140C。1.端口配置寄存器(GPIOXCRL和GPIOXCRH)4.GPIO部分寄存器CRL和CRH用于控制GPIO端口的输入/输出模式及输出速度CRL用于控制GPIO端口(A~G)低8位的输入/输出模式及输出速度，CRH用于控制GPIO端口(A~G)高8位的输入/输出模式及输出速度每个GPIO端口的引脚占用CRL或CRH的4位高两位为CNF[1:0],低两位为MODET1:01CNFT1:01和MODET1:0的解释说明如表4-4所示。从图4-7和图4-8可以看到，这两个寄存器的复位值均为0x44444444，即CNF[1:0]为01，MODET1:01为00，从表4-4可以得出这样的结论，即STM32复位后所有引脚配置为浮空输入模式。2.端口输出数据寄存器(GPIOxODR)4.GPIO部分寄存器GPIOx_BSRR用于设置GPIO端口的输出位为0或1该寄存器和ODR有着类似的功能都可以用来设置GPIO端口的输出位为0或1GPIOx_BSRR的结构、偏移地址和复位值以及各个位的解释说明如图4-11和表4-6所示。GPIOx_BSRR也常常简称为BSRR。3.端口位设置/清除寄存器(GPIOXBSRR)4.GPIO部分寄存器既可以通过BSRR将GPIO端口的输出位设置为0或1，也可以通过ODR将GPIO端口的输出位设置为0或1。那这两种寄存器到底有什么区别?下面以4个实例进行说明。3.端口位设置/清除寄存器(GPIOXBSRR)4.GPIO部分寄存器GPIOxBRR用于设置GPIO端口的输出位为0GPIOxBRR的结构偏移地址和复位值，以及部分位的解释说明如图4-12和表-7所示。GPIOxBRR也常常简称为BRR。4.端口位清除寄存器(GPIOXBRR)5.GPIO部分固件库函数GPIO_Init函数的功能是设定A、B、C、DEFG端口的任一个引脚的输入/输出的配置信息，通过向GPIOx→CRL或GPIOX→CRH写入参数来实现，同时，该函数还可以按需要初始化STM32的0口状态，通过向GPIOx→BRR或GPIO→BSRR写入参数来实现具体描述如表4-8所示。1.GPI_OInit5.GPIO部分固件库函数GPIO_InitTypeDef结构体定义在stm32f10x_gpio.h文件中，内容如下：1.GPI_OInit5.GPIO部分固件库函数(1)参数GPIO_Pin用于选择待设置的GPIO引脚号可取值如表4-9所示还可以使用“|”操作符选择多个引脚，如GPIO_Pn0|GPIO_Pin1。1.GPI_OInit5.GPIO部分固件库函数(2)参数GPIO_Speed用于设置选中引脚的速度，可取值如表4-10所示。1.GPI_OInit5.GPIO部分固件库函数(3)参数GPIO_Mode用于设置选中引脚的工作状态，可取值如表4-11所示。1.GPI_OInit5.GPIO部分固件库函数GPIO_WriteBit函数的功能是设置或清除所选定端口的特定位通过向GPIOx→BSRR或GPIOx→BRR写入参数来实现。具体描述如表4-12所示。2.GPIO_WriteBit5.GPIO部分固件库函数GPIO_ReadOutputDataBit函数的功能是读取指定外设端口的指定引脚的输出值，通过读GPIOx→ODR来实现。具体描述如表4-13所示。3.GPIO_ReadOutputDataBit6.RCC部分寄存器本实验涉及的RCC寄存器只有APB2外设时钟使能存器(RCCAPB2ENR)，该寄存器的结构、偏移地址和复位值如图4-13所示，部分位的解释说明如表4-14所示。本章只对该寄存器进行简单介绍，第9章将对RCC进行详细讲解。7.RCC部分固件库函数本实验涉及的RCC固件库函数包括RCC_APB2PeriphClockCmd。该函数在stm32f10x_rcch文件中声明，在stm32f10x_rcc.c文件中实现。RCC_APB2PeriphClockCmd函数的功能是打开或关闭APB2上相应外设的时钟，通过向RCC→APB2ENR写入参数来实现。具体描述如表4-15所示。7.RCC部分固件库函数参数RCC_APB2Periph为被控的APB2外设时钟可取值如表4-16所示还可以使用“|”操作符使能多个APB2外设时钟，如RCC_APB2Periph_GPIOA|JRCC_APB2Periph_GPIOC。03实验步骤步骤1:首先，将“D:STM32KeilTest\Material\03.GPIO与流水灯实验”文件夹复制到“D:STM32KeilTestProduct”文件夹中。然后，双击运行“D:STM32KeilTestProduct\03.GPIO与流水灯实验Project”文件夹中的STM32KeilPrjuvprojx，单击工具栏中的圈按钮。当BuildOutput栏出现FromELF:creatinghexfile时表示已经成功生成hex文件出现0Error(s),0Warning(s)表示编译成功。最后，将axf文件下载到STM32的内部Flash，打开串口助手，观察是否每秒输出一次ThisisthefirstSTM32F103Project,byZhangsan。本实验实现的是两个LED交替闪烁功能，因此，Material提供的“03.GPIO与流水灯实验”工程中的LED模块是空白的，STM32核心板上不会出现两个LED交替闪烁的现象。如果串口正常输出字符串，表示原始工程是正确的，接着就可以进入下一步操作。复制并编译原始工程步骤2:首先,将“D：\STM32KeilTestProduct03GPIO与流水灯实验AppLED”文件夹中的LEDc添加到App分组具体操作可参见2.3节步骤8。然后将D:STM32KeilTestProduct03.GPIO与流水灯实验AppLED”路径添加到IncludePaths栏，具体操作可参见2.3节步11。添加LED文件对步骤3:完成LED文件对添加之后，就可以在LED.c文件中添加包含LED.h头文件的代码了，如图4-14所示。完善LED.h文件步骤3:具体做法:①在Project面板中，双击打开LED.c文件;②根据实际情况完善模块信息;③在LED.c文件的“包含头文件”区，添加代码#include"LED.h";④单击按钮进行编译；⑤编译结束后，BuildOutput栏出现0Errors)0Warming(s)表示编译成功;⑥LED.c目录下会出现LED.h，表示成功包含LED.h头文件。建议每次进行代码更新或修改之后，都进行一次编译，这样可以及时定位到问题。完善LED.h文件步骤3:完成在LED.c文件中添加代码#include“LED.h"之后，就可以添加防止重编译处理代码了，如图4-15所示。完善LED.h文件步骤3:具体做法:①在Project面板中，展开LED.c;②双击LEDc下的LEDh;③根据实际情况完善模块信息；④在打开的LED文件中，添加防止重编译处理代码；⑤添加完防止重编译处理代码之后，单击工具栏中的西按钮进行编译;⑥编译结束后，BuildOutput栏出现0Error(s)，0Warning(s)表示编译成功。。完善LED.h文件步骤3:在LEDh文件的“包含头文件”区，添加代码#include"DataTypeh"。LEDc包含了LEDh,而LED.h又包含了DataType.h，因此，相当于LEDc也包含了DataType.h,在LED.c中使用DataType.h中的宏定义等，就不需要再重复包含头文件DataType.h了。DataType.h文件主要是一些宏定义，如程序清单4-1所示。第一部分是一些常用数据类型的缩写替换，比如unsignedchar用u8替换这样在进行代码编写时，就不用输入unsignedchar，而是直接使用u8，可以提高代码输入效率。第二部分是字节、半字和字的组合以及拆分操作，这些操作在代码编写过程中使用非常频繁，比如求一个半字的高字节，正常操作是(BYTE)(((WORD)(hw)>8)&0xFF))，而使用HBYTE(w)就显得既简洁又明了。完善LED.h文件步骤3:第三部分是一些布尔数据、空数据以及无效数据定义，比如TRUE实际上是1，FALSE实际上是0而无效数据INVALIDDATA实际上是-100。完善LED.h文件步骤3:在LEDh文件的“API函数声明”区，添加如序清单4-2所示的API函数声明代码。InitLED函数主要是初始化LED模块。每个模块都有模块初始化函数，而且，在使用前，要先在Mainc的InitHardware或InitSoftware函数中通过调用模块初始化函数的代码进行模块初始化，硬件相关的模块在IitHardware函数中初始化，软件相关的模块在IitSoftware函数中初始化。LEDFlicker函数实现的是STM32核心板上的LEDI和LED2的电平翻转。完善LED.h文件步骤4:在LED.c文件的“包含头文件”区的最后，添加代码#include"stm32f10x_gpio.h”。stm32f10x_gpio为STM32的GPIO的固件库头文件，LED块主要是对GPIO相关的寄存器进行操作，包含了stm32f10x_gpioh，就可以使用GPIO的固件库函数对GPIO相关的寄存器进行间接操作了。stm32f10xconfh中包含了各种固件库头文件，当然，也包含了stm32f10x_gpio.h，因此也可以在LEDc文件的“包含头文件”区的最后，添加代码#include"stm32f10x_conf.h"。完善LED.c文件步骤4:在LED.c文件的“内部函数声明”区，添加内部函数的声明代码，如程序清单4-3所示本书规定，所有的内部函数都必须在“内部函数声明”区声明，且无论是内部函数的声明还是实现，都必须加static关键字，表示该函数只能在其所在文件的内部调用。完善LED.c文件步骤4:在LED.c文件的“内部函数实现”区，添加ConfigLEDGPIO函数的实现代码，如程序清单4-4所示。下面按照顺序对ConfgLEDGPIO函数中的语句进行解释说明。(1)STM32核心板的LED1和LED2分别与STM32F103RCT6芯片的PC4和PC5相连接，因此需要通过RCCAPB2PeriphClockCmd函数使能GPIOC时钟该函数涉及APB2ENR的IOPCEN，IOPCEN用于使能GPIOC的时钟，可参见图4-13和表4-14。(2)通过GPIOIit函数将PC4和PC5配置为推挽输出模式，并将两个IO的最大输出速度配置为50MHz。该函数涉及GPIOxCRL、GPIOxBSRR